Curso Técnico em Radiologia
FÍSICA APLICADA À RADIOLOGIA Prof. Thiago Henrique Santos Tôrres
UNAÍ,MG 2010
Sumário CAPÍTULO 1 – A FÍSICA E SUA IMPORTÂNCIA .................................................................... 4 1.1- Física e sua Importância........................................................................................................... 4 1.2- Alguns Seguimentos Da Física: ............................................................................................... 4 1.3- Importância da Física das Radiações. ...................................................................................... 4 1.4- Aplicações na Indústria. ........................................................................................................... 5 1.5- Aplicações na Agricultura........................................................................................................ 5 1.6- Outras Aplicações. ................................................................................................................... 5 Exercícios de compreensão ............................................................................................................. 5 CAPITULO 2 - NOÇÕES BÁSICAS DE POTÊNCIA E NOTAÇÃO CIENTIFICA................... 6 2.1- Potência: ................................................................................................................................... 6 2.2- Bases Decimais ........................................................................................................................ 6 Exercícios de compreensão ............................................................................................................. 7 CAPITULO 3 - A EVOLUÇÃO DOS MODELOS ATÔMICOS .................................................. 8 3.1- Um pouco de história ............................................................................................................... 8 3.2- Teoria Quântica ...................................................................................................................... 11 3.2.1- Modelo Atômico de Sommerfeld (1916) ........................................................................ 11 3.2.2- Contribuição de Broglie .................................................................................................. 11 3.2.3- Teoria da Mecânica Ondulatória ..................................................................................... 12 Exercícios de compreensão ........................................................................................................... 12 CAPITULO 4 – ELETRICIDADE ............................................................................................... 13 4.1- Conceitos e contextualização ................................................................................................. 13 4.1.1- Carga Elétrica.................................................................................................................. 13 4.1.2- Relâmpago ...................................................................................................................... 14 4.1.3- Força Elétrica .................................................................................................................. 14 4.2- Corrente Elétrica .................................................................................................................... 14 4.3- Unidades Básicas ................................................................................................................... 15 4.4- Prefixos para indicar frações ou múltiplos de unidades......................................................... 16 4.5- Tensão elétrica e diferença de potencial (ddp) ...................................................................... 16 4.6- Resistor .................................................................................................................................. 16 4.6.1- A Primeira Lei de Ohm ................................................................................................... 17 4.6.2- Segunda Lei de Ohm ....................................................................................................... 18 4.6.3- Associação de Resistores ................................................................................................ 19 4.7- Lei de Coulomb...................................................................................................................... 21 4.8- O conceito de Campo Elétrico ............................................................................................... 23 4.9- Magnetismo............................................................................................................................ 25 Exercícios de Compreensão .......................................................................................................... 25 CAPÍTULO 5 - ONDULATÓRIA ................................................................................................ 26 5.1- Conceito e contextualização .................................................................................................. 26 4.2- Equação Fundamental da Ondulatória ................................................................................... 27 4.3- Natureza das Ondas................................................................................................................ 27 4.3.1- Ondas mecânicas ............................................................................................................. 27 4.3.2- Ondas eletromagnéticas .................................................................................................. 27
Exercício de compreensão ............................................................................................................. 29 CAPÍTULO 6 – RADIAÇÃO, RADIOATIVIDADE E RAIOS X .............................................. 30 6.1- Radiação e Radioatividade ..................................................................................................... 30 6.1.1- Classificação da Radiação............................................................................................... 31 6.1.2- Origem das radiações ...................................................................................................... 31 6.2- Aparelhos de raio ................................................................................................................... 34 6.2.1- Tubo de raio X .................................................................................................................... 35 6.3- Formação da Imagem Radiográfica ....................................................................................... 37 6.4- Um pouco de Historia ........................................................................................................ 38 CAPÍTULO 7 – PRODUÇÃO DOS RAIOS X ............................................................................ 39 7.1- Teoria dos Quanta .............................................................................................................. 39 7.2- Produção dos Raios X ............................................................................................................ 41 7.3- Propriedades do Rx ................................................................................................................ 41 7.3.1 Tubo de Rx ....................................................................................................................... 41 7.2- Rendimento de uma ampola de RX ....................................................................................... 43 Exercícios de Compreensão ...................................................................................................... 44 7.3- Qualidade dos RX .................................................................................................................. 44 7.3.1- Cálculo da Quilovoltagem (kV) ...................................................................................... 45 Exercício de Compreensão ........................................................................................................ 46 Exercício de Compreensão ........................................................................................................ 47 7.3.2- Quantidade dos RX ......................................................................................................... 47 7.3.2.1- Seleção da mA ......................................................................................................... 50 7.3.2.1- Cálculo da mAs ........................................................................................................ 50 Exercícios de Compreensão .......................................................................................................... 54 7.4- Lei do Inverso do Quadrado da Distância.............................................................................. 54 Exemplos e Exercícios .............................................................................................................. 56 CAPÍTULO 8- FATORES DE AJUSTES NA EMISSÃO DE RX .............................................. 57 8.1- Relação entre o tempo e a distância ....................................................................................... 57 Exercícios de compreensão ....................................................................................................... 58 8.2 Relação entre a mAs e a distância ........................................................................................... 58 Exercícios de compreensão ....................................................................................................... 59 8.3- Relação entre mA e a distância .............................................................................................. 60 8.4- Fluxo de RX ........................................................................................................................... 62 8.5- Fatores que afetam a emissão dos RX ................................................................................... 63 8.5.1- Fatores que afetam a absorção dos RX ........................................................................... 63 CAPÍTULO 9- INTERAÇÃO DA RADIAÇÃO COM A MATÉRIA......................................... 64 9.1- Formação, Processamento e Registro da Imagem Radiográfica ............................................ 64 9.2- Processos de interação da radiação com a matéria ................................................................ 64 9.3- Efeito Compton ...................................................................................................................... 65 9.4- Efeito fotoelétrico: ................................................................................................................. 66 9.5- Fatores de exposição que afetam a Imagem Aérea ................................................................ 67 9.6- Controle da Radiação Secundária .......................................................................................... 68 9.6.1- Filtros .............................................................................................................................. 68 9.6.2- Colimadores .................................................................................................................... 69
9.6.3- Grades ............................................................................................................................. 70 9.7- Écrans ..................................................................................................................................... 72 CAPÍTULO 10- FILME RADIOGRÁFICO................................................................................. 75 10.1- Constituição do Filme .......................................................................................................... 75 CAPÍTULO 11- A FÍSICA NA TOMOGRAFIA, RESSONANCIA E ULTRASSNOGRAFIA 85 11.1- Ultra-som - Conceito............................................................................................................ 85 11.2- Tomografia Computadorizada ............................................................................................. 86 11.3- Ressonância Nuclear Magnética - RNM.............................................................................. 87 CAPITULO 12- MEDIDAS DE INTENSIDADE DAS RADIAÇÕES IONIZANTES. ............. 89 12.1 - DOSE E TAXA DE DOSE ................................................................................................. 90 12.2 - Efeitos Somáticos Das Radiações: Liminar Ou Não?......................................................... 90 12.2.1 - Dose Gônoda ................................................................................................................ 91 12.2.2 - Dose Genética .............................................................................................................. 91 1.2.3 - Dose Acumulada ............................................................................................................ 91 12.3- Dose Máxima Permissível ................................................................................................... 92
CAPÍTULO 1 – A FÍSICA E SUA IMPORTÂNCIA COMPETÊNCIAS E HABILIDADES A SEREM TRABALHADAS COMPETÊNCIAS ESSENCIAIS HABILIDADES ESSENCIAIS Conhecer a história da Física Identificar os princípios que levaram ao surgimento das ciências. Diferenciar Ciência e Cultura Identificar a importância da Física e das Conhecer ramos de estudo da Física Radiações no cotidiano Conhecer as aplicações da radiação 1.1- Física e sua Importância No começo dos tempos o homem começou a enxerga a natureza de maneira diferenciada, estudando e utilizando-a para o seu proveito. Esta analise (estudos) diferenciada dos fenômenos e suas tentativas para explicá-las deram origem ao desenvolvimento humano e suas organizações sociais. Na Idade Antiga a ciência não era dividida em matérias como hoje em dia (Física, Química, Biologia) onde os filósofos eram pessoas que estudavam o homem,a sociedade, a matemática e a natureza entendendo-a e explicando seus fenômenos por modelos fechados e bem articulados. No inicio do século XVI com a Revolução Copérnica ao produzir um modelo de Universo, com o Sol no centro (passagem do geocentrismo para o heliocentrismo), Nicolau Copérnico desencadeou uma inquietação dos estudiosos da época a respeito da formação estrutural do universo até então adotado (modelo Aristotélico). Onde estes, observaram que havia a necessidade de uma linguagem mais clara e objetiva (Matemática) para interpretar e entender estes fenômenos. Deu-se então o surgimento da Física. O primeiro cientista a organizar matematicamente seus estudos foi Galileu Galilei ao analisar o fenômeno da queda dos corpos. Logo após vieram outros grandes físicos como Isaac Newton, Lord Kelvin, Willian Crookes, Wilhelm Konrad von Röntgen, Pierre Curie, Marie Curie, Max Planck, Albert Einstein e outros. 1.2- Alguns Seguimentos Da Física: Mecânica: estuda os fenômenos relacionados ao movimento dos corpos. Exemplos: queda livre de um corpo, colisão de dois objetos, variação de espaço e velocidade em um determinado intervalo de tempo, etc. Óptica: estuda propriedades e efeitos de fontes de luz (como os raios laser), de transmissores de luz (como as fibras ópticas) e de fenômenos e instrumentos ópticos (como o arco-íris e os microscópios). Termodinâmica: estuda as relações entre calor e trabalho. Baseia-se em dois princípios: o da conservação de energia e o de entropia. Estes princípios são a base de máquinas a vapor, turbinas, motores de combustão interna, motores a jato e máquinas frigoríficas. Eletromagnetismo: estuda as propriedades elétricas e magnéticas da matéria, em particular as relações estabelecidas entre elas. Física Moderna: estuda o átomo, seu núcleo e o que se acredita serem os constituintes últimos do universo, levam o homem a analisar as estruturas mais íntimas da matéria e das radiações. 1.3- Importância da Física das Radiações. Logo após a descoberta dos raios x por Wilhelm Konrad von Röntgen os cientistas perceberam que esses raios poderiam ter grandes aplicações praticas (primeira aplicação prática esta relacionada a fraturas de ossos, onde os médicos diagnosticaram fazendo uso da
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radiografia). Hoje em dia, os raios x são usados nas industrias em ensaios não-destrutivos, na Medicina em radiologia diagnostica e em terapia, e em pesquisas cientificas. 1.4- Aplicações na Indústria. Radiografia e gamagrafia: Uma das aplicações mais importantes na industria refere-se ao ensaio não-destrutivo do material , onde a radiação penetra no material para examinar seu interior. A radiação escolhida depende de fatores como: a densidade e espessura do material, forma geométrica do objeto e do que é constituído. São algumas de suas utilidades: verificar a qualidade de soldas em tubulações de gás e no interior de navios e aviões, medir a espessura e densidade de materiais, medida de vazamento, conservação de alimentos, esterilização de materiais cirúrgicos e outros. Atualmente existem cerca de60 isótopos radioativos que foram utilizados com relativo sucesso em gamagrafias industriais. No entanto, cerca de 90% das gamagrafias industriais são feitas utilizando-se apenas 4 radioisótopos: cobalto-60, irídio-192, césio-137 e túlio-170. 1.5- Aplicações na Agricultura. - Criação de novas variedades de plantas com características melhoradas; - Capacidade de aumentar e de melhorar a produção de alimentos através do conhecimento do metabolismo vegetal e animal; - Controle ou eliminação dos insetos. 1.6- Outras Aplicações. - Estudo de poluição do ar; - Coloração de cristais por radiação; - Datação por meio da radiação.
Exercícios de compreensão 1- O que levou ao surgimento da ciência? 2- Formule argumentos que justifiquem o estudo da física. 3- Cite algumas descobertas ou criações da ciência ou da tecnologia e relacione sua importância no desenvolvimento humano. 4- Identifique objetos do seu próprio uso que contenham aplicações tecnológicas, descreva-os.
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CAPITULO 2 - NOÇÕES BÁSICAS DE POTÊNCIA E NOTAÇÃO CIENTIFICA COMPETÊNCIAS E HABILIDADES A SEREM TRABALHADAS COMPETÊNCIAS ESSENCIAIS HABILIDADES ESSENCIAIS Conhecer operações com Notação Científica Identificar a importância da utilização de Notação Científica Conhecer potenciação Conhecer representação decimal Efetuar cálculos com Notação Cientifica e com Conhecer as aplicações da radiação decimais 2.1- Potência: Operação importante e muito utilizada no desenvolvimento da Matemática. Serve para simplificar a multiplicação de fatores iguais. São os casos:
1) a1 = a
Ex: (10001= 1000)
2) a˚ = 1
Ex: (1000˚ = 1)
3) an = a.a.a.a.a.... n vezes
Ex: ( a3 = a.a.a )
4) an x am = a(n+m)
Ex: (23 x 22 = 25 )
5) an x a-m = a(n -m)
Ex: (34 x 3-3 = 31)
6) a-n = 1_ an
Ex: (2-3 = 1 ) 23
7) an = a(n -m) am
Ex: ( 23 = 21) 22
8) (am)n = a(mxn)
Ex: (32)3 = 36
9) (am / bc)n = amxn / bcxn
Ex: (32 / 23)2 = 34 / 26
2.2- Bases Decimais
1) 0,000000032 = 3,2x10-8 ( a virgula anda para a direita. Então o sinal do expoente será negativo) 2) 320000000 = 3,2x108 será positivo)
( a virgula anda para a esquerda. Então o sinal do expoente
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-18
Atto (a) = 10 Pico (P) = 10-12 Angstrons (Å) =10-10 Nano (n) = 10-9
Prefixo de potência Micro (μ) = 10-6 Mili (m) = 10-3 Centi (C) = 10-2 Deca (da) = 10-1
Hecto (H) = 102 Quilo (K) = 103 Mega (M) = 106 Giga (G) = 109
Exercícios de compreensão 1- Calcule as potências: a) 2³ b) 3² c) 4² d) 5³ e) 34 f) 2-3 g) 3-2 h) 4-2 i) 5-3 2- Efetue os cálculos: a) 2³.2 b) 3².3³ c) 45.4-2 d) 5-3. 5³ e) 4-2.4-3 f) 7-2.7² 3- Efetue os cálculos: a) 6.104 . 3.10² b) 12.10² . 1,4.10-2 c) 6.10-4 . 2.10-2 d) 12.10² . 4.10-2 e) 6.10-4 . 2.10-2 f) 6.104 . 3.10²
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CAPITULO 3 - A EVOLUÇÃO DOS MODELOS ATÔMICOS COMPETÊNCIAS E HABILIDADES A SEREM TRABALHADAS COMPETÊNCIAS ESSENCIAIS HABILIDADES ESSENCIAIS Conhecer a história dos Modelos Atômicos Identificar a evolução histórica do átomo. Diferenciar o átomo Identificar como o avanço tecnológico Conhecer a importância do elétron contribuiu para compreensão da estrutura Conhecer as contribuições tecnológicas da atômica. Física Quântica Identificar a importância da Física Quântica no cotidiano 3.1- Um pouco de história Leucipo (450 a. C.) (pensamento filosófico)
Leucipo viveu por volta de 450 a. C. (à 2.450 de anos atrás) e dizia que a matéria podia ser dividida em partículas cada vez menores, até chegar-se a um limite. Demócrito (470a.C a 380a.C) (pensamento filosófico)
Demócrito, discípulo de Leucipo, viveu por volta de 470 a 380 a. C. e afirmava que a matéria era descontínua, isto é, a matéria era formada por minúsculas partículas indivisíveis, as quais foram denominadas de átomo (que em grego significa "indivisível"). Demócrito postulou que todos os tipos de matéria era formada a partir da combinação de átomos de 4 elementos: água, ar , terra e fogo. O modelo da matéria descontínua foi rejeitada por um dos grandes filósofos da época, Aristóteles, o qual afirmava que a matéria era contínua, isto é, a matéria vista como um "todo inteiro" (contrastando com a idéia de que a matéria era constituída por minúsculas partículas indivisíveis). Dalton (1.808) (métodos experimentais)
O químico inglês John Dalton, que viveu entre 1.766 a 1.825, afirmava que o átomo era a partícula elementar, a menor partícula que constituía a matéria. Em 1.808, Dalton apresentou seu modelo atômico: o átomo como uma minúscula esfera maciça, indivisível, impenetrável e indestrutível. Para ele, todos os átomos de um mesmo elemento químico são iguais, até mesmo as suas massas. Hoje, nota-se um equívoco pelo fato da existência dos isótopos, os quais são átomos de um mesmo elemento químico que possuem entre si massas diferentes. Seu modelo atômico também é conhecido como "modelo da bola de bilhar".
Modelo Atômico de Dalton: "bola de bilhar". O átomo seria uma esfera (partícula) maciça e indivisível.
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Thomson (1.897) (métodos experimentais)
Pesquisando os raios catódicos, o físico inglês J. J. Thomson demonstrou que os mesmos podiam ser interpretados como sendo um feixe de partículas carregadas de energia elétrica negativa, as quais foram chamadas de elétrons. Utilizando campos magnéticos e elétricos, Thomson conseguiu determinar a relação entre a carga e a massa do elétron. Ele conclui que os elétrons (raios catódicos) deveriam ser constituintes de todo tipo de matéria pois observou que a relação carga/massa do elétron era a mesma para qualquer gás que fosse colocado na Ampola de Crookes (tubo de vidro rarefeito no qual se faz descargas elétricas em campos elétricos e magnéticos). Com base em suas conclusões, Thomson colocou por terra o modelo do átomo indivisível e apresentou seu modelo, conhecido também como o "modelo de pudim com passas":
Modelo de Thomsom: "pudim com passas".
O pudim é toda a esfera positiva (em azul) e as passas são os elétrons (em amarelo), de carga negativa.
Rutherford (1911) (métodos experimentais)
O modelo atômico de Rutherford é baseado nos resultados da experiência que Rutherford e seus colaboradores realizaram: bombardeamento de uma lâmina muito fina (delgada) de ouro (Au) com partículas alfa (que eram positivas). Para ver e entender melhor a referida experiência, clique na figura abaixo:
Rutherford e seus colaboradores verificaram que, para aproximadamente cada 10.000 partículas alfa que incidiam na lâmina de ouro, apenas uma (1) era desviada ou refletida. Com isso, concluíram que o raio do átomo era 10.000 vezes maior que o raio do núcleo. Comparando, se o núcleo de um átomo tivesse o tamanho de uma azeitona, o átomo teria o tamanho do estádio do Morumbi. Surgiu então em 1.911, o modelo do átomo nucleado, conhecido como o modelo 9
planetário do átomo: o átomo é constituído por um núcleo central positivo, muito pequeno em relação ao tamanho total do átomo porém com grande massa e ao seu redor, localizam-se os elétrons com carga negativa (compondo a "enorme" eletrosfera) e com pequena massa, que neutraliza o átomo.
Modelo atômico de Rutherford: modelo planetário do átomo. O átomo é formado por um núcleo muito pequeno em relação ao átomo, com carga positiva, no qual se concentra praticamente toda a massa do átomo. Ao redor do núcleo localizam-se os elétrons neutralizando a carga positiva.
Bohr (1.913) (métodos experimentais)
Nota-se no modelo de Rutherford dois equívocos:
uma carga negativa, colocada em movimento ao redor de uma carga positiva estacionária, adquire movimento espiralado em direção à carga positiva acabando por colidir com ela; uma carga negativa em movimento irradia (perde) energia constantemente, emitindo radiação. Porém, sabe-se que o átomo em seu estado normal não emite radiação.
O físico dinamarquês Niels Bohr conseguiu "solucionar" os equívocos cometidos por Rutherford baseando-se na seguinte idéia: · um elétron num átomo adquire apenas certas energias, e cada energia é representada por uma órbita definida, particular. Se o elétron recebe energia ele pula para uma outra órbita mais afastada do núcleo. Pode ocorrer no elétron a perda de energia por irradiação, e sendo assim, o elétron cai para uma órbita mais próxima do núcleo. Todavia o elétron não pode ficar entre duas órbitas definidas, específicas, pois essa não seria uma órbita estável ( órbita não específica ).
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Conclui-se então que: quanto maior a energia do elétron, mais afastado ele está do núcleo. Em outras palavras: um elétron só pode estar em movimento ao redor do núcleo se estiver em órbitas específicas, definidas, e não se encontra em movimento ao redor do núcleo em quaisquer órbitas. As órbitas permitidas constituem os níveis de energia do átomo ( camadas K L M N ... ). 3.2- Teoria Quântica De acordo com Max Planck (1900), quando uma partícula passa de uma situação de maior para outra de menor energia ou vice-versa, a energia é perdida ou recebida em "pacotes" que recebe o nome de quanta (quantum é o singular de quanta). O quantum é o pacote fundamental de energia e é indivisível. Cada tipo de energia tem o seu quantum. A Teoria Quântica permitiu a identificação dos elétrons de um determinado átomo, surgindo assim os "números quânticos".
3.2.1- Modelo Atômico de Sommerfeld (1916) Ao pesquisar o átomo, Sommerfeld concluiu que os elétrons de um mesmo nível, ocupam órbitas de trajetórias diferentes (circulares e elípticas) a que denominou de subníveis, que podem ser de quatro tipos: s , p,d,f.
3.2.2- Contribuição de Broglie Em 1923, Louis Broglie mostrou, através de uma equação matemática, que "qualquer corpo em movimento estaria associado a um fenômeno ondulatório". Desta maneira o elétron apresenta a natureza de uma partícula-onda, obedecendo assim, às leis dos fenômenos ondulatórios, como acontece com a luz e o som.
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3.2.3- Teoria da Mecânica Ondulatória Em 1926, Erwin Shröringer formulou uma teoria chamada de "Teoria da Mecânica Ondulatória" que determinou o conceito de "orbital" . Orbital é a região do espaço ao redor do núcleo onde existe a máxima probalidade de se encontrar o elétron. O orbital s possui forma esférica ...................
e os orbitais p possuem forma de halteres. ....
Exercícios de compreensão 1- O que levou o ser humano a estudar a matéria e sua composição? 2- Relacione o primeiro modelo atômico com o modelo atual. O que mudou? 3- Com base no que utilizamos no dia-a-dia qual a importância da Física Quântica?
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CAPITULO 4 – ELETRICIDADE COMPETÊNCIAS E HABILIDADES A SEREM TRABALHADAS COMPETÊNCIAS ESSENCIAIS HABILIDADES ESSENCIAIS Conceituar eletricidade - Identificar a importância da eletricidade no cotidiano Conhecer carga elétrica e força elétrica - Relacionar Carga elétrica e força elétrica Conhecer ramos de estudo da Física - Operar a equação que relaciona corrente Conceituar corrente elétrica elétrica, carga e tempo Conhecer resistências elétricas - Distinguir um resistor ôhmico Conhecer associação de resistências - Relacionar comprimento e espessura de um Conhecer campo elétrico e magnético fio a sua quantidade de corrente elétrica. - Identificar e compreender circuitos elétricos - Identificar perigos e benefícios de campos elétricos e magnéticos 4.1- Conceitos e contextualização Eletricidade é uma forma de energia, um fenômeno que é um resultado da existência de cargas elétricas. A teoria de eletricidade e seu inseparável efeito, Magnetismo, é provavelmente a mais precisa e completa de todas as teorias científicas. O conhecimento da eletricidade foi o impulso para a invenção de motores, geradores, telefones, radio e televisão, raios-X, computadores e sistemas de energia nuclear. A eletricidade é uma necessidade para a civilização moderna. 4.1.1- Carga Elétrica Âmbar é um mineral translúcido, quase amarelo. Próximo do ano 600 AC., os gregos descobriram uma peculiar propriedade deste material: quando esfregado com um pedaço de pelo de animal, o âmbar desenvolve a habilidade para atrair pequenos pedaços de plumas. Por séculos essa estranha e inexplicável propriedade foi associada unicamente ao âmbar. Dois mil anos depois, no século XVI, William Gilbert provou que muitas outras substâncias são "elétricas" (palavra originária do termo em grego para âmbar, elektron) e que elas podem apresentar dois efeitos elétricos. Quando friccionado com peles o âmbar adquire uma "eletricidade de resina", entretanto o vidro quando friccionado com a seda adquire o que eles chamaram de "eletricidade vítrea", o que eles descobriram foram as cargas positivas e negativas. Eletricidade repele o mesmo tipo e atrai o tipo oposto. Cientistas pensavam que a fricção realmente criava a eletricidade, porém eles não notavam que uma igual quantidade de eletricidade oposta ficava na pele ou na seda. Em 1747, Benjamin Franklin na América e William Watson (1715-1787) na Inglaterra independentemente chegaram a mesma conclusão: todos os materiais possuem um tipo único de "fluido elétrico" que pode penetrar no material livremente, mas que não pode ser criado e nem destruído. A ação da fricção simplesmente transfere o fluido de um corpo para o outro, eletrificando ambos. Franklin e Watson introduziram o princípio da conservação de carga : a quantidade total de eletricidade em um sistema isolado é constante. Franklin definiu o fluido, que correspondia a eletricidade vítrea, como positiva e a falta de fluido como negativo. Portanto, de acordo com Franklin, a direção do fluxo (corrente) era do positivo para o negativo, porém atualmente sabe-se que o oposto é vem a ser verdade. Uma segunda teoria com base no fluido foi desenvolvida, subseqüentemente, na qual amostras do mesmo tipo se atraem, enquanto aquelas de tipos opostos se repelem.
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4.1.2- Relâmpago Franklin ficou conhecido com a Garrafa de Leyden , uma garrafa recoberta por dentro e por fora com folhas de estanho.Foi o primeiro Capacitor, um dispositivo utilizado para estocar carga elétrica. A Garrafa de Leydem poderia ser descarregada tocando o seu interior e seu exterior recoberto de estanho simultaneamente, causando um choque elétrico na pessoa. Se um condutor de metal fosse usado, uma faísca poderia ser vista e ouvida. Franklin tinha dúvidas de que o raio e o trovão eram um resultado de uma descarga elétrica. Durante uma tempestade em 1752, Franklin empinou uma pipa que tinha uma extremidade de metal. No fim da chuva, na linha condutora de cânhamo da pipa empinada, ele atou uma chave de metal, na qual amarrou um barbante de seda não condutor que colocou em sua mão. O experimento foi extremamente arriscado, mas o resultado foi inconfundível: quando ele colocou os nós de seus dedos perto da chave, ele pode atrair faíscas para si. O outros dois que tentaram esse experimento extremamente perigoso morreram. 4.1.3- Força Elétrica Já era conhecido em 1600 que a força repulsiva ou atrativa diminuía quando as cargas eram separadas. Essa relação foi primeiro abordada de uma forma numericamente exata, ou quantitativa, por Joseph Priestley, um amigo de Benjamin Franklin. Em 1767, Priestley indiretamente deduziu que quando a distância entre dois pequenos corpos carregados é aumentada por um fator, as forças entre os corpos são reduzidas pelo quadrado do fator. Por exemplo, se a distância cargas é triplicada, a força resultante diminui para um nono do valor anterior. Ainda que rigorosa, a prova de Priestley foi tão simples que ele mesmo não ficou plenamente convencido. O assunto não foi considerado encerrado até 18 anos depois, quando John Robinson da Escócia fez mais medidas diretas das força elétrica envolvida. 4.2- Corrente Elétrica
André-Marie Ampère (1775 - 1836)
A corrente elétrica é um movimento ordenado de cargas elementares. A corrente elétrica pode ser um simples jato de partículas no vácuo, como acontece num cinescópio de TV, em que um feixe de elétrons é lançado contra a tela. No entanto, na maioria dos casos, a corrente elétrica não ocorre no vácuo, mas sim no interior de um condutor. Por exemplo, aplicando uma diferença de potencial num fio metálico, surge nele uma corrente elétrica formada pelo movimento ordenado de elétrons.
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Não se pode dizer que todo movimento de cargas elétricas seja uma corrente elétrica. No fio metálico, por exemplo, mesmo antes de aplicarmos a diferença de potencial, já existe movimento de cargas elétricas. Todos os elétrons livres estão em movimento, devido à agitação térmica. No entanto, o movimento é caótico e não há corrente elétrica.
Quando aplicamos a diferença de potencial, esse movimento caótico continua a existir, mas a ele se sobrepõe um movimento ordenado, de tal forma que, em média, os elétrons livres do fio passam a se deslocar ao longo deste. É assim que se forma a corrente elétrica. Como a corrente elétrica é dada pela passagem de cargas elétricas em função do tempo, temos a seguinte equação:
𝑖=
𝑄 𝑡
Onde: i representa a corrente elétrica (A Àmpere) Q representa a carga elétrica (C Coulomb) t representa o tempo (s segundos) 4.3- Unidades Básicas Símbolo Unidade
A
ampère (unidade de corrente)
V
volt (unidade e tensão)
W
watt (unidade de potência)
Ohm
Ohm (unidade de resistência)
H
henry (unidade de indutância)
F
farad (unidade de capacitância)
Hz
hertz (unidade de freqüência)
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4.4- Prefixos para indicar frações ou múltiplos de unidades Símbolo Fração/Múltiplo
p
pico (1 trilionésimo 10-12)
n
nano (1 bilionésimo 10-9)
µ
micro (1 milionésimo 10-6)
m
mili (1 milésimo 10-3)
k
kilo (1 milhar 103)
M
mega (1 milhão 106)
G
giga (1 bilhão 109)
4.5- Tensão elétrica e diferença de potencial (ddp) Considere um aparelho que mantenha uma falta de elétrons e uma de suas extremidades e na outra um excesso. Este aparelho é chamado gerador e pode ser uma pilha comum. A falta de elétrons em um pólo e o excesso em outro origina uma diferença de potencial (d.d.p.). Um aparelho elétrico só funciona quando se cria uma diferença de potencial entre os pontos em que estiver ligado para que as cargas possam se deslocar.
A tensão elétrica é a diferença de potencial entre dois pontos. A unidade da tensão elétrica, no SI, é o volt (V) em homenagem ao Físico Italiano Alessandro Volta. 4.6- Resistor O resistor é um dispositivo cujas principais funções são: dificultar a passagem da corrente elétrica e, transformar Energia Elétrica em Energia Térmica por Efeito Joule. Entendemos a dificuldade que o resistor apresenta à passagem da corrente elétrica como sendo resistência elétrica. O material mais comum na fabricação do resistor é o carbono. Na grande maioria dos casos observamos a seguinte representação gráfica do resistor:
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Os resistores podem ser fixos ou variáveis. Quando variáveis são chamados de reostatos ou potenciômetros e a representação é a seguinte:
Para o resistor é válida a expressão:
𝑅=
𝑈 𝑖
Devemos lembrar que a unidade da resistência elétrica é o ohm (Ω) derivada do volt / ampère. 4.6.1- A Primeira Lei de Ohm A primeira Lei de Ohm afirma que, ao percorrer um resistor (R) a corrente elétrica (i) é diretamente proporcional à tensão (U).
U = R. i Onde: U : representa a tensão (ddp). R: a resistência do resistor ou condutor. i: corrente elétrica.
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Lembre-se, um resistor é considerado ôhmico quando, obedecendo a 1ª Lei de Ohm, ele mantém constante o valor da resistência ao alterar-se a tensão (U) e a corrente (i), proporcionalmente. 𝑅=
𝑈 𝑖
A resistência (R) é uma constante de proporcionalidade que tem como unidade do SI o ohm (Ω), em homenagem ao físico Georg Simon Ohm que propôs a lei. George Ohm nasceu em Erlangen, Alemanha em 1789. Trabalhou em diversos experimentos envolvendo a eletricidade e, na grande maioria, desenvolvia seus próprios equipamentos. Em 1827 estabeleceu a relação descrita acima e conhecida até hoje como a 1ª Lei de Ohm. Ohm faleceu em 6 de Julho de 1854 em Munique. 4.6.2- Segunda Lei de Ohm Como já vimos antes, George Ohm realizou diversos experimentos envolvendo a eletricidade. Muitos destes experimentos estavam relacionados à resistência elétrica, e nestes, ele verificou que a resistência (R) de um resistor é diretamente proporcional ao comprimento (l) do resistor, inversamente proporcional à área da secção transversal (A) e depende do material do qual o resistor é feito. Esta relação é conhecida como a Segunda Lei de Ohm. Considerando os resistores como sendo fios, podemos simplificar o estudo das grandezas que influem na resistência elétrica. Observe a ilustração:
Temos um resistor representado por um fio de comprimento l e secção transversal de área A (constante). Pela Segunda Lei de Ohm podemos afirmar que: 1) Sendo dois resistores constituídos pelo mesmo material, e com a mesma área de secção transversal, o primeiro com comprimento l e o segundo com comprimento 2l. Se a resistência do primeiro for R a do segundo será necessariamente 2R.
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2) Sendo dois resistores constituídos pelo mesmo material , e com o mesmo comprimento, o primeiro com área de secção transversal A e o segundo com área de secção transversal 2A. Se a resistência do primeiro for R a do segundo será necessariamente R/2.
A Segunda Lei de Ohm é escrita na forma:
𝑅=
𝜌. 𝐿 𝐴
Onde: R: é a resistência do fio ρ: é a resitividade do material L: é o comprimento do fio A: é a área da secção transversal (a espessura do fio) Observação: A resistividade é uma característica do material com que é feito o resistor.
4.6.3- Associação de Resistores Em nosso dia-a-dia utilizamos vários aparelhos elétricos onde são empregados circuitos com dois ou mais resistores. Em muitos destes circuitos, um único resistor deve ser percorrido por uma corrente elétrica maior que a suportada, e nestes casos utiliza-se uma associação de resistores. Em outras aplicações vários resistores são ligados um em seguida do outro para obter o circuito desejado, como é o caso das lâmpadas decorativas de natal. Os resistores podem ser associados basicamente de três maneiras diferentes: Associação em série, associação em paralelo e associação mista.
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Para efeito de cálculos, em muitos casos será necessário descobrir como a série de resistores se comporta como um todo. Nestes casos utilizamos o conceito de resistor equivalente. Que é um resistor que tem as mesmas propriedades da associação, ou seja, uma resistência que seja a mesma do conjunto, esta resistência é chamada resistência equivalente. Associação em série: Na associação em série todos os resistores são percorridos pela mesma corrente elétrica. Os resistores são ligados um em seguida do outro, existindo apenas um caminho para a corrente elétrica. Observe a figura abaixo:
A voltagem de uma associação de resistores em série é a soma das voltagens em cada um dos resistores associados. O valor da resistência equivalente é dado pela soma das resistências dos resistores que constituem a série.
Associação em paralelo: A associação de resistores em paralelo é um conjunto de resistores ligados de maneira a todos receberem a mesma diferença de potencial (ddp). Nesta associação existem dois ou mais caminhos para a corrente elétrica, e desta maneira, os resistores não são percorridos pela corrente elétrica total do circuito. Observe a figura.
A corrente, em uma associação de resistores em paralelo, é a soma das correntes nos resistores associados.
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Na associação em paralelo, o valor da resistência equivalente é sempre menor que o valor de qualquer resistência dos resistores da associação. Este valor pode ser obtido com as seguintes equações:
Associação mista: Uma associação mista é composta quando associamos resistores em série e em paralelo no mesmo circuito. Observe na figura abaixo que os resistores R1 e R2 estão em série e os resistores R3 e R4 estão em paralelo:
Nas associações mistas também podemos encontrar um valor para a resistência equivalente. Para isto devemos considerar cada associação (série ou paralelo) separadamente, sendo que todas as propriedades descritas acima são válidas para estas associações. 4.7- Lei de Coulomb Charles Augustin Coulomb desenvolveu uma teoria que chamamos hoje de Lei de Coulomb. A Lei de Coulomb trata da força de interação entre as partículas eletrizadas, as partículas de mesmo sinal se repelem e as de sinais opostos se atraem. O físico Charles Coulomb utilizou para estudar estas forças, um equipamento que ele mesmo desenvolveu, a balança de torção. Este equipamento consiste em um mecanismo que calcula a intensidade do torque sofrido por uma partícula que sofre repulsão. Em muitos exercícios você pode encontrar o termo carga elétrica puntiforme, este termo se refere a um corpo eletrizado que tem dimensões desprezíveis em relação à distância que o separa de outro corpo eletrizado.
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As cargas elétricas positivas são atraídas pelas cargas elétricas negativas e as cargas com mesmo nome se repelem, este não é um conceito difícil de entender e, já estudamos nos processos de eletrização. A lei de Coulomb diz que a intensidade da força eletrostática entre duas cargas elétricas é diretamente proporcional ao produto das cargas e inversamente proporcional ao quadrado da distância que as separa. Esta, porem, não é uma afirmação tão fácil de aceitar, por isso vamos observar a equação que a explica.
𝐹=
𝐾. 𝑞. 𝑄 𝑑²
Onde: F é a força de interação entre duas partículas (N) k é uma constante eletrostática (N.m2/C2) Q é a carga elétrica da primeira partícula (C) q é a carga elétrica da segunda partícula (C) d é a distância que separa as duas partículas (m) É importante lembrar que utilizamos os módulos das cargas elétricas das partículas, ou seja, colocamos na fórmula apenas o valor numérico, sem o sinal (que indica o sentido do vetor) desta carga. Podemos tirar algumas conclusões sobre a Lei de Coulomb observando a equação acima, que relaciona o valor da força elétrica de interação entre partículas eletrizadas com suas cargas elétricas e com a distância que as separa. A relação entre a força e as cargas é uma relação diretamente proporcional, ou seja, quanto maiores as cargas, maior será a força de interação. A relação entre a força e distância é uma relação inversamente proporcional, quando aumentamos a distância entre as partículas a força elétrica diminui. Logo, temos duas conclusões importantes: 1) mantendo-se a distância entre os corpos e dobrando-se a quantidade de carga elétrica de cada um, a força elétrica será multiplicada por quatro. 2) mantendo-se as cargas elétricas e dobrando-se a distância a força elétrica será dividida por quatro. A letra k representa uma constante de proporcionalidade que chamamos de constante eletrostática, está constante depende do meio onde se encontram as partículas estudas. Para o vácuo k = 9 . 109 unidades do SI.
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A lei de Coulomb é o cálculo das forças de interação de duas partículas, sendo que essas forças de interação são iguais em módulo, ou seja, têm a mesma intensidade e direção mas, sentidos opostos. 4.8- O conceito de Campo Elétrico No texto sobre a Lei de Coulomb, falamos sobre a força elétrica que age entre duas partículas eletrizadas através do campo elétrico. Neste texto vamos entender o conceito de campo elétrico. Michael Faraday (1791 – 1867) foi o primeiro a propor o conceito de campo elétrico e também contribuído com outros trabalhos para o eletromagnetismo, posteriormente este conceito foi aprimorado com os trabalhos de James Clerk Maxwell, discípulo de Faraday. O conceito de campo elétrico surgiu da necessidade de explicar a ação de forças a distância. Podemos dizer que o campo elétrico existe numa região do espaço quando, ao colocarmos uma carga elétrica (q) nessa região, tal carga é submetida a uma força elétrica F. O campo elétrico pode ser entendido como sendo uma entidade física que transmite a todo o espaço a informação da existência de um corpo eletrizado (Q) e, ao colocarmos uma outra carga (q) nesta região, será constatada a existência de uma força F de origem elétrica agindo nesta carga (q). É importante neste momento, fazer uma analogia entre o campo elétrico e o campo gravitacional de um planeta. Ao redor de um planeta, existe um campo gravitacional devido a sua massa, análogo ao campo elétrico que existe em torno de uma esfera eletrizada. Percebemos então, uma analogia entre as grandezas físicas de massa e carga elétrica, como sendo responsáveis por gerar os campos gravitacional e elétrico respectivamente. Para definir, matematicamente, o campo elétrico é necessário definirmos uma grandeza física que o represente. Esta grandeza é o vetor campo elétrico. Considerando a definição utilizada anteriormente, o vetor campo elétrico é dado por:
E = F/q (lembrando que E e F são vetores) A força F, à qual a carga q fica submetida será atrativa ou repulsiva, dependendo do sinal de q. A direção do vetor campo elétrico terá a mesma direção da reta que une o ponto considerado e a carga de geradora (Q). Já o sentido do vetor campo elétrico, depende do sinal da carga geradora (Q)
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O campo elétrico gerado por uma carga elétrica (Q) positiva é de afastamento e, o campo elétrico gerado por uma carga elétrica (Q) negativa é de aproximação. O sentido do campo elétrico independe do sinal da carga (q) que sofre a ação da força F.
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4.9- Magnetismo O magnetismo é a parte da Física que estuda os materiais magnéticos. Neste post vamos estudar a origem da palavra magnetismo, um pouco da história do magnetismo e falar sobre o magnetismo terrestre. A palavra magnetismo tem origem na Grécia antiga. Em uma cidade chamada Magnésia foi observado um minério com a propriedade de atrair objetos de ferro. A este minério foi dado o nome de magnetita. Assim como a eletricidade, o magnetismo foi enunciado pela primeira vez no século VI a.C. por Tales de Mileto. Para Tales, a magnetita podia comunicar sua vida ao ferro, já que está, como o âmbar (leia o post sobre o átomo, possuía uma alma. Após isso, só tivemos grandes mudanças com Pierre de Maricourt que fez experiências para estudar o magnetismo em 1269. Com estas experiências ele descobriu que: 1) aproximando dois imãs pelos seus pólos de mesmo nome, eles se repelem. 2) aproximando dois imãs pelos seus pólos opostos, eles se atraem. 3) um imã partido mantém a polaridade do imã que o originou. 4) da divisão de um imã surge outros dois, ou mais imãs, por menor que eles sejam. Em 1600, William Gilbert publicou “De magnete”. Neste trabalho Gilbert explicou as propriedades do imã e do magnetismo. Também explicou o campo magnético terrestre, dizendo que a Terra era um grande imã e que seus pólos magnéticos se aproximavam aos pólos de seu eixo de rotação. É importante saber que, da mesma maneira que existe um campo elétrico ao redor de um corpo carregado eletricamente, existe um campo magnético na região onde se encontra um imã. Já que nosso planeta apresenta um comportamento magnético, como se fosse um imã, ao redor dele existe um campo magnético. É este campo magnético que atua sobre a agulha magnética da bússola. Sabemos hoje que o pólo norte magnético da Terra está próximo do pólo sul geográfico e, assim sendo, o pólo sul magnético está próximo ao pólo norte geográfico. Portanto, o pólo norte magnético da bússola aponta para o sul magnético terrestre e norte geográfico da terrestre. Por sua vez, o pólo sul magnético da bússola aponta para o norte magnético terrestre e sul geográfico terrestre. Vários foram os cientistas que colaboraram para avanço nas teorias do magnetismo, entre eles podemos destacar Hans Christian Orsted e Michal Faraday. Mas, a grande transformação do magnetismo foi realizada pelo matemático James Clerk Maxwell que, com suas equações, conseguiu unificar a eletricidade e o magnetismo dando origem ao eletromagnetismo.
Exercícios de Compreensão
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CAPÍTULO 5 - ONDULATÓRIA COMPETÊNCIAS E HABILIDADES A SEREM TRABALHADAS COMPETÊNCIAS ESSENCIAIS HABILIDADES ESSENCIAIS Conceituar onda -Destacar a propriedade fundamental da onda: Conhecer ondas mecânicas e eletromagnéticas transmitir energia sem transportar matéria -Representar graficamente uma onda Apresentar a equação fundamental da -Identificar as características de uma onda ondulatória -Aplicar a equação fundamental da ondulatória -Relacionar comprimento de onda e freqüência com poder de penetração ou poder de alcance. 5.1- Conceito e contextualização Uma onda em física é uma perturbação oscilante de alguma grandeza física no espaço e periódica no tempo. A oscilação espacial é caracterizada pelo comprimento de onda e a periodicidade no tempo é medida pela freqüência da onda, que é o inverso do seu período. Estas duas grandezas estão relacionadas pela velocidade de propagação da onda. Fisicamente uma onda é um pulso energético que se propaga através do espaço ou através de um meio (líquido, sólido ou gasoso). Segundo alguns estudiosos e até agora observado, nada impede que uma onda magnética se propague no vácuo ou através da matéria, como é o caso das ondas ondas eletromagnéticas no vácuo ou dos neutrinos através da matéria onde as partículas do meio oscilam à volta de um ponto médio, mas não se deslocam.
As ondas podem ser classificadas como um movimento harmônico simples. Exceto pela radiação eletromagnética, e provavelmente as ondas gravitacionais, que podem se propagar através do vácuo, as ondas existem em um meio cuja deformação é capaz de produzir forças de restauração através das quais elas viajam e podem transferir energia de um lugar para outro sem que qualquer das partículas do meio seja deslocada permanentemente como acontece num imã; isto é, nenhuma massa transportada associada pode anular o efeito magnético. Em lugar disso, qualquer ponto particular oscila em volta de um ponto fixo.
Ondas se propagando na superfície de um meio líquido
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Descrição física de uma onda
Onde: 1=Elementos de uma onda 2=Distância 3=Deslocamento λ=Comprimento de onda y=Amplitude
Ondas podem ser descritas usando um número de variáveis, incluindo: freqüência, comprimento de onda, amplitude e período. A amplitude de uma onda é a medida da magnitude de um distúrbio em um meio durante um ciclo de onda. Por exemplo, ondas em uma corda têm sua amplitude expressada como uma distância (metros), ondas de som como pressão (pascals) e ondas eletromagnéticas como a amplitude de um campo elétrico (volts por metro). A amplitude pode ser constante (neste caso a onda é uma onda contínua), ou pode variar com tempo e/ou posição. A forma desta variação é o envelope da onda. O período (T) é o tempo de um ciclo completo de uma oscilação de uma onda. A freqüência (F) é período dividido por uma unidade de tempo (exemplo: um segundo), e é expressa em hertz. Veja abaixo:
4.2- Equação Fundamental da Ondulatória
V . f Onde: V Velocidade de propagação λ Comprimento da onda (de crista a crista ou vale a vale) f freqüência 4.3- Natureza das Ondas 4.3.1- Ondas mecânicas São aquelas originadas pela deformação de uma região de um meio elástico e que, para se propagarem, necessitam de um meio material. Ex: onda na superfície da água, ondas sonoras, ondas numa corda tensa, etc. As ondas mecânicas não se propagam no vácuo. 4.3.2- Ondas eletromagnéticas São aquelas originadas por cargas elétricas oscilantes. Ex: ondas de rádio, ondas de raios X, ondas luminosas, etc.
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As ondas eletromagnéticas propagam-se no vácuo. É importante tomarmos consciência de como estamos imersos em ondas eletromagnéticas. Iniciando pelos Sol, a maior e mais importante fonte para os seres terrestres, cuja vida depende do calor e da luz recebidos através de ondas eletromagnéticas. Além de outras, recebemos também: a radiação eletromagnética emitida, por átomos de hidrogênio neutro que povoam o espaço interestelar da nossa galáxia; as emissões na faixa de radiofreqüências dos "quasares" (objetos ópticos que se encontram a enormes distâncias de nós, muito além de nossa galáxia, e que produzem enorme quantidade de energia); pulsos intensos de radiação dos "pulsares" (estrelas pequenas cuja densidade média é em torno de 10 trilhões de vezes a densidade média do Sol).
Essas radiações são tão importantes que deram origem a uma nova ciência, a Radioastronomia, que se preocupa em captar e analisar essas informações obtidas do espaço através de ondas. Há ainda as fontes terrestres de radiação eletromagnética: as estações de rádio e de TV, o sistema de telecomunicações à base de microondas, lâmpadas artificiais, corpos aquecidos e muitas outras.
A primeira previsão da existência de ondas eletromagnéticas foi feita, em 1864, pelo físico escocês, James Clerk Maxwell . Ele conseguiu provar teoricamente que uma perturbação eletromagnética devia se propagar no vácuo com uma velocidade igual à da luz. E a primeira verificação experimental foi feita por Henrich Hertz, em 1887. Hertz produziu ondas eletromagnéticas por meio de circuitos oscilantes e, depois, detectou-se por meio de outros circuitos sintonizados na mesma freqüência. Seu trabalho foi homenageado posteriormente colocando-se o nome "Hertz" para unidade de freqüência. Podemos resumir as características das ondas eletromagnéticas no seguinte: 28
São formadas por campos elétricos e campos magnéticos variáveis. O campo elétrico é perpendicular ao campo magnético. São ondas transversais (os campos são perpendiculares à direção de propagação). Propagam-se no vácuo com a velocidade "c" Podem propagar-se num meio material com velocidade menor que a obtida no vácuo. Com isto, o campo elétrico ao redor do fio em um certo instante estará apontando num sentido e, depois, no sentido contrário. Esse campo elétrico variável irá gerar um campo magnético , que será também variável. Por sua vez, esse campo magnético irá gerar um campo elétrico. E assim por diante .... Cada campo varia e gera outro campo que, por ser variável, gera outro campo: e está criada a perturbação eletromagnética que se propaga através do espaço, constituída pelos dois campos em recíprocas induções.
Note que o campo elétrico é perpendicular à direção de propagação e o campo magnético também, o que comprova que a onda eletromagnética é uma onda transversal. Além disso, o campo elétrico é perpendicular ao campo magnético, o que podemos verificar facilmente: quando um fio é percorrido por cargas em movimento, o campo elétrico num ponto próximo ao fio pertence ao plano do fio, enquanto o campo magnético está saindo ou entrando neste plano.
Exercício de compreensão
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CAPÍTULO 6 – RADIAÇÃO, RADIOATIVIDADE E RAIOS X COMPETÊNCIAS E HABILIDADES A SEREM TRABALHADAS COMPETÊNCIAS ESSENCIAIS HABILIDADES ESSENCIAIS Conhecer Radiação, Radioatividade e Raios X Identificar conceitos básicos que envolvem radiação através de ondas eletromagnéticas. Conhecer os tipos de aparelhos de Raios X Identificar os tipos de aparelhos e seus Conhecer como são produzidos os Raios X Conhecer os componentes básicos do aparelho componentes básicos Destacar a evolução histórica na produção de de Raios X Raios X 6.1- Radiação e Radioatividade Radiação é a propagação de energia através de partículas ou ondas. A radiação eletromagnética é uma forma de energia que se propaga como combinação de campos elétricos e magnéticos, variáveis no tempo e no espaço, que viajam no vácuo ou no ar à mesma velocidade da luz. Na Figura 1, mostra-se o espectro eletromagnético – a distribuição da radiação eletromagnética em suas diversas faixas de freqüências. Observando-se esta figura, percebe-se que as radiações podem ser classificadas entre ionizantes e não ionizantes.
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A radioatividade, por sua vez, é a propriedade de certos elementos químicos de alto peso atômico (urânio, tório, rádio , césio etc.) de emitir espontaneamente energia e partículas subatômicas. É comum encontrar um ou mais tipos de classificação para as radiações. Podem ser: - Não Ionizantes ou ionizantes; - Corpusculares ou eletromagnéticas. 6.1.1- Classificação da Radiação - Radiação não ionizante Equipamentos como televisores, rádios e telefones celulares, entre outros, localizam-se na faixa de freqüência considerada não ionizante. O que isto significa? Significa que a energia emitida por estes equipamentos não é suficiente para “arrancar” elétrons de átomos ou moléculas durante a sua passagem pela matéria. Não existe ainda nenhum estudo que comprove que a radiação não ionizante causa efeitos deletérios à saúde. Seu principal efeito biológico é térmico: o aquecimento devido à energia eletromagnética. Este efeito não leva necessariamente a efeitos biológicos. O aquecimento de nossa pele pelos raios solares, por exemplo, é um efeito biológico. Haverá risco de queimaduras se não forem obedecidos os limites de exposição solar. - Radiação ionizante Além da capacidade de ionização, isto é, de arrancar elétrons do material durante sua passagem pelo mesmo, as radiações ionizantes são bastantes penetrantes quando comparadas aos demais tipos. Os principais tipos de radiação são a γ, X, α (núcleos de Hélio), β+, β- e nêutrons. Se ordenarmos de maneira crescente em relação ao poder de penetração, a radiação α não é capaz de atravessar uma folha de papel, a beta atravessa uma folha de papel mas não atravessa uma lâmina metálica, enquanto a radiação gama atravessaria até uma placa de chumbo, dependendo de sua energia e da espessura da placa. Não há diferenças físicas entre as radiações gama e X, somente em relação à sua origem. Os Raios γ são originados em transições nucleares e os raios X em transições eletrônicas.
Radiação corpuscular: trata-se do movimento de partículas da matéria,ou seja, um feixe de partículas subatômicas em alta velocidade. É um tipo de radiação muito ionizante e pouco penetrante. Exemplos: raios alfa, raios beta etc. Radiação eletromagnética: trata-se do transporte de energia através do espaço por uma combinação (oscilação) de um campo elétrico com outro magnético. Exemplos: raios X, raios gama, raios ultravioleta, raios infravermelhos etc. 6.1.2- Origem das radiações As radiações podem ser originadas por processos de decaimentos, por processos de ajuste do núcleo ou pela interação da própria radiação com a matéria. Por processos de decaimentos: • Raios-X característicos • Elétrons Auger • Conversão interna Por processos de ajuste do núcleo: • Radiação Alfa • Radiação beta • Captura eletrônica Por interação da radiação com a matéria:
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• Bremsstrahlung • Produção de pares • Aniquilação de pares Processos de decaimento - Raios-X característicos São radiações eletromagnéticas de alta energia originadas em transições eletrônicas do átomo que sofreu excitação ou ionização após interação. Elétrons das camadas externas fazem transições para ocupar lacunas produzidas pelas radiações nas camadas mais internas, próximas do núcleo, emitindo o excesso de energia sob a forma de Raios-X. Como as energias das transições são típicas da estrutura de cada átomo, elas podem ser utilizadas para a sua identificação, numa técnica de análise de materiais denominada de fluorescência de RX. Interação da Radiação com a matéria - Bremsstrahlung Bremsstrahlung é uma palavra em alemão que significa “radiação de frenagem”. As radiações constituídas por partículas carregadas como α, β e elétrons acelerados, ao interagir com a matéria, podem converter uma parte de sua energia cinética em radiação eletromagnética. Esta é o resultado da interação entre os campos elétricos da partícula incidente, do núcleo e dos elétrons atômicos.
Figura 2: Esquema simplificado da produção da radiação de frenamento. Produção de pares Este efeito ocorre quando fótons de energia superior a 1,022 Mev passam perto do núcleo de Z elevado, interagindo com o forte campo elétrico nuclear. Nesta interação, a radiação desaparece e dá origem a um par elétron-pósitron (2 mc2=1,022 MeV). Radiação de Aniquilação Quando um pósitron, após perder toda a sua energia cinética, interage com um elétron, a matéria é toda convertida em energia, sendo emitidos dois fótons em direções diametralmente opostas de 511 keV. Fontes de Radiação Nós vivemos em um mundo radioativo. O tempo todo estamos inevitavelmente sujeitos a emissões radioativas, provenientes tanto de fontes naturais quanto artificiais. Os seres humanos estão expostos à radiação desde seu surgimento na Terra. As fontes de radiação incluem: • o solo em que nós andamos • o ar que respiramos • a comida com a qual nos alimentamos • o sistema solar como um todo. Tudo em nosso mundo contém pequenas quantidades de átomos radioativos. Esses elementos radioativos tiveram sua origem quando da criação do universo ou são formados pela
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interação com a radiação cósmica. A Terra portanto, está constantemente recebendo radiação cósmica vinda do espaço. Fontes Naturais As fontes naturais representam cerca de 70% da exposição a que estamos submetidos, sendo o restante devido à fontes artificiais, conforme mostrado na figura abaixo.
Fontes artificiais As principais fontes artificiais são os Raios X médicos, odontológicos e industriais, e os aceleradores de partículas. Acelerador de partículas Existem diversos dispositivos que permitem a geração de feixes intensos de partículas com energia variável, utilizando processos de aceleração baseados em campos elétricos e campos magnéticos. Os principais aceleradores de partículas são: • aceleradores de elétrons • acelerador Van der Graaff • cíclotrons • aceleradores de grande porte
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6.2- Aparelhos de raio
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6.2.1- Tubo de raio X Os aparelhos de raios X são constituídos de três componentes fundamentais: o tubo de raios X, o gerador de alta voltagem e o painel de controle. Um tubo de raios X é um conversor de energia. Recebe energia elétrica que converte em raios X e calor. É constituído pelo anodo e pelo catodo. O catodo, geralmente um filamento de tungstênio, é aquecido por um circuito apropriado, até atingir alta temperatura produzindo os elétrons que atingem o alvo (anodo) num ponto bem determinado, chamado de ponto focal. O tamanho do ponto focal oscila entre 1,3 e 1,5 cm para foco grosso e é menor que 1 cm para foco fino. O anodo é um disco de metal, geralmente W (tungstênio) onde os elétrons incidem produzindo os raios X. O anodo converte energia elétrica em raios X (1%) e em calor (99%). Existem também anodos fabricados de outros materiais tais como Molibdênio (Z= 42) e Ródio (Z= 44) que são usados em mamografia. O material do anodo deve ter algumas características essenciais: • Alto número atômico (alta eficiência na produção de raios X) • Baixa taxa de evaporação (para evitar metalização do vidro da ampola) • Alta resistência física quando aquecido • Alto ponto de fusão • Alta condutividade térmica (dissipação rápida de calor). A ampola é geralmente constituída de vidro de alta resistência e mantida em vácuo. Dentro dela estão fixados o anodo e o catodo. Sua função também é a de promover isolamento térmico e elétrico entre as partes. O cabeçote contém a ampola e demais acessórios. É geralmente de chumbo ou cobre cuja função é de blindar a radiação de fuga. Possui uma janela radiotransparente por onde passa o feixe. O espaço é preenchido com óleo que atua como isolante elétrico e térmico. É no comando do aparelho que se localizam os controles necessários para a definição da técnica radiográfica a ser empregada em cada tipo de exame. Os principais parâmetros são : KV, MA, tamanho do ponto focal e tempo de exposição. Em radiodiagnostico o diâmetro do anodo varia entre 5 e 12 cm com angulações de 7º a 12º. Em radioterapia a angulação oscila entre 26 e 350. A maioria dos aparelhos modernos possui anodo rotatório cuja velocidade pode atingir até 10.000 r.p.m. O anodo tem capacidade limitada de armazenar calor embora este seja continuamente dissipado para o óleo contido no seu invólucro. Não é toda a área do anodo que está envolvida na produção de raios X, mas sim uma pequena região denominada ponto focal. O tamanho do ponto focal está relacionado com a resolução e com a dissipação de calor. Quanto menor o ponto focal, melhor será a resolução. Por outro lado, quanto maior for sua área, mais facilmente dissipará o calor.
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6.3- Formação da Imagem Radiográfica A imagem radiográfica é uma janela para o corpo. O uso dos raios X proporciona a obtenção de imagens internas do corpo humano, de modo não invasivo. O processo radiográfico envolve várias etapas: a formação da imagem que inicia-se com a absorção da energia proveniente dos raios X ou da luz pelos cristais de haleto de prata da emulsão do filme. Quanto mais exposição receberem, mais sensíveis serão ao processo de revelação. A imagem formada nesta etapa é chamada de imagem latente pois não pode ser detectada com métodos físicos usuais. Esta imagem é convertida em imagem visível pela ação dos químicos que atuam no processo de revelação dos filmes. Após o processamento, o filme é lavado e secado estando pronto para o manuseio. Atualmente um dos métodos mais usados para a obtenção de imagens em radiografia convencional é fazendo uso da combinação tela-filme. O filme radiográfico é um conversor de imagem. Converte luz em diversos tons de cinza. A quantidade de exposição necessária para produzir uma imagem depende da sensibilidade ou velocidade do filme. A velocidade é escolhida tendo-se em mente dois fatores importantes: exposição do paciente e qualidade da imagem. O filme de alta velocidade reduz a dose no paciente mas, por outro lado, degrada a qualidade da imagem. As telas intensificadoras são utilizadas para produzir luz que irá impressionar o filme radiográfico. Recentemente, com o advento das telas modernas de terras raras (lantânio, gadolínio, etc...) está havendo uma substituição das antigas pelas modernas, cujo uso já é exigido por leis na maioria dos países (no Brasil a partir de 1/6/98), sua velocidade é, pelo menos, 8 vezes maior que as antigas. O material fluorescente das telas, tem a propriedade de emitir luz quando irradiado por um feixe de raios X. É esta luz que vai impressionar o filme radiográfico. Apenas cerca de 5 % da imagem será formada pela ação direta dos raios X, 95 % será formada pela ação da luz proveniente destas telas intensificadoras. O filme radiográfico é muito mais sensível à luz do que aos raios X, conseqüentemente o uso das telas possibilita uma substancial redução do tempo de exposição e que acarreta uma diminuição da dose fornecida ao paciente podendo esta redução chegar até 100 vezes ! Resumindo a obtenção de imagens radiográficas: o feixe de raios-X piramidal vai atravessar o objeto que no nosso caso é o paciente. De acordo com as densidades das diversas estruturas que foram atravessadas pelo raio-X, haverá maior ou menor absorção destes raios. A resultante após a interação dos raios-X com o paciente é que irá sensibilizar o filme radiográfico, que dará a imagem final. É importante saber que as diferenças de densidade determinam as características radiológicas dos diferentes materiais e estruturas. Assim materiais densos como os metais absorvem muito os raios-X, pois tem um número atômico muito alto. Por outro lado, o ar, com densidade atômica e número atômico baixos não absorve os raios-x. Assim, temos em ordem crescente 5 densidades radiológicas básicas: ar, gordura, água, cálcio e metal.
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6.4- Um pouco de Historia
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CAPÍTULO 7 – PRODUÇÃO DOS RAIOS X COMPETÊNCIAS E HABILIDADES A SEREM TRABALHADAS COMPETÊNCIAS ESSENCIAIS HABILIDADES ESSENCIAIS Conhecer a produção dos Raios X Identificar conceitos e propriedades na geração de Rx. Conhecer rendimento de uma ampola Identificar métodos para obter o kV Conhecer o método para cálculo de kV Identificar métodos para obter o mA e mAs Conhecer os métodos para cálculo da quantidade de Rx(mAs) 7.1- Teoria dos Quanta Max Planck, em 1901, e Albert Einstein, 1905, iniciaram a formulação da teoria dos quanta. Segundo essa teoria, a radiação é emitida e se propaga descontinuamente, em pequenos pulsos de energia, chamados pacotes de energia, quanta ou fótons. Assim, a onda eletromagnética apresenta também um caráter corpuscular. (Fótons são articulas sem carga e massa de repouso nula) Plank descobriu que todos os fótons, associados a uma freqüência particular f de luz, possuem a mesma energia (E), diretamente proporcional a f. E = hxf Em que h é uma constante universal, chamada constante de Planck, e vale 6,63x10-34 JxS A energia (E) também pode ser calculada em função de λ. E = hxC (onde C é a velocidade da luz e igual a 3x108m/s) λ (λ é o comprimento de onda) Obs: o fóton é a menor quantidade de luz que pode ser emitida ou absorvida em qualquer processo. A energia também pode ser dada em uma outra unidade, um sub múltiplo da unidade fundamental (Joule). Essa unidade é o elétron Volt (e V), valendo a seguinte relação:
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7.2- Produção dos Raios X Os raios X podem ser produzidos quando elétrons com certa velocidade (que partem do cátodo) são desacelerados ao chocarem-se com um objeto (ânodo), em que parte de sua energia é perdida em forma de calor e outra parte convertida em raios X, transformando sua energia cinética em energia eletromagnética. A função básica do aparelho de raios X é gerar um fluxo controlado de elétrons, a fim de produzir uma quantidade (mA) e qualidade (kV) de raios X desejadas em um determinado tempo de exposição (s).Os aparelhos de raios X são identi6cados de acordo com sua energia máxima ou com sua função específica. As unidades de radiodiagnóstico normalmente operam numa mesma faixa de voltagem (40 - 150 kVp) e corrente no tubo (25 - 1.200 mA). Os aparelhos de raios X são constituídos, basicamente, de três componentes: tubo ou ampola, gerador de alta voltagem e painel de controle (mesa de comando). 7.3- Propriedades do Rx
7.3.1 Tubo de Rx Tubo ou ampola de RX convencional consiste de um ânodo e um cátodo (componentes principais), colocados dentro de uma ampola de vidro (pirex) de onde todo o ar foi retirado, ou seja, dentro da ampola existe vácuo. O motivo da existência do vácuo no interior da ampola é para que os elétrons, que irão gerar os RX, não percam sua energia no caminho entre o cátodo e o ânodo. O Cátodo é o pólo negativo da ampola e é dividido em filamento e focalizador. - Filamentos: São de onde são emitidos os elétrons que irão gerar o Rx. Geralmente o cátodo é composto por dois filamentos, um de dimensão menor produz um ponto focal pequeno ou fino, e é usado quando se deseja imagens com menor resolução e maior nitidez, e seu uso é restrito a pequenas correntes no tubo. - Focalizador: Tem a função de manter unidos o maior número possível de elétrons que foram retirados do filamento e concentrá-los na menor área possível do ânodo. Essa área é chamada de ponto focal ou ponto de foco, quanto menor for ponto focal, melhor será a nitidez da imagem. Já o Ânodo é o pólo positivo da ampola. Existem dois tipos e possuem as seguintes características: - Ânodo Fixo: Geralmente é constituído de um cilindro de cobre e em seu centro uma pequena placa de liga de tungstênio, denominada alvo, que é onde ocorre a interação dos elétrons. É mais utilizado, hoje em dia, em aparelhos portáteis. - Ânodo Giratório: Permite aos elétrons uma área maior de interação, com isso o calor resultante dessa interação fica distribuído em uma área maior, enquanto que no ânodo fixo essa
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interação ocorre apenas em um ponto. Muito embora a área de interação do ânodo giratório seja muito maior, ele mantém o mesmo tamanho de foco que o ânodo fixo. - Ponto de Foco ou Ponto Focal: É a área do alvo onde os raios X são produzidos. Quanto menor for o ponto focal, melhor será a nitidez da imagem, embora haja um aquecimento maior do alvo. Um artifício para melhorar a definição da imagem foi a utilização do Princípio de Linha de Foco, segundo o qual, angulando-se o alvo conforme demonstrado na figura a seguir, a área efetiva do alvo passa a ser muito menor do que a aera atual de interação do elétron. Essa angulação do ânodo nos tubos de RX varia entre 11º e 18º.
- Efeito Anódico (anódio): é uma conseqüência indesejável do Principio de Linha de Foco, fazendo com que a intensidade dos raios X no lado do cátodo seja maior do que no lado do ânodo. Os raios X emitidos do lado do ânodo devem atravessar uma espessura de material do alvo maior que a dos raios X da linha de foco, fazendo com que os raios X emitidos daí sejam de menor intensidade dos que os da parte de cima. Quanto menor o ponto focal do tubo de dos X maior será a magnitude do deito anódico. Tal efeito, contudo, só deve ser levado em consideração quando o profissional for radiografar partes bem espessas ou densas, tais como o abdome, o tórax, a coluna torácica, a coxa etc.
-Gerador: é responsável pela conversão da baixa tensão em alta, sem que haja modificação da forma da onda. O gerador normalmente fica situado em um dos cantos da sala de exames e é 42
constituído de três partes principais: transformador de alta voltagem, transformador do filamento e retificadores, todos imersos em óleo para isolamento elétrico. Os geradores podem ser: a) monofásico: Produz uma energia média de RX bem menor do que o trifásico e o de alta freqüência. Para uma tensão de entrada de 100 kVp, o kV fornecido ao tubo de RX, sob a forma de corrente contínua pulsada (dc), é da ordem de 64 kV b) trifásico: Existem dois tipos, os de 6 pulsos que produz uma energia média de RX maior que o monofásico. Para uma tensão de entrada de 100 kVp, o kV fornecido ao tubo de RX é da ordem de 96 kV. E o de 12 pulsos que irá produzir 99kV para cada 100kVp de entrada. c) alta freqüência: Produz a maior energia média fornecida ao tubo de RX. A tensão de entrada (kVp) é praticamente igual a tensão de saída (kV). - Painel de Controle: ou mesa de comando, permite ao operador selecionar a tensão (kV) e a corrente (mA) no tubo e o tempo de exposição (s) necessários para obtenção de uma radiografia de boa qualidade. 7.2- Rendimento de uma ampola de RX Os RX produzidos em uma ampola são emitidos em quase todas as direções, interessam para os exames radiográficos são aqueles que formam o feixe útil. Os que não formam esse feixe são chamados de radiação de fuga e em nada contribuem para a formação da imagem. Como foi dito anteriormente, a maioria da energia cinética dos elétrons é transformada em calor e a minoria é transformada em RX, além disso, temos a radiação de fuga. Esses fatores acabam por influenciar no rendimento de uma ampola. Para calcularmos esse rendimento, usamos a seguinte fórmula:
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Exercícios de Compreensão
7.3- Qualidade dos RX Quando aumentamos a ddp (kV) entre cátodo e ânodo, aumentamos também a energia cinética dos elétrons que irão interagir com os átomos do material alvo. Quanto maior for a ddp, maior será a energia cinética dos elétrons e, conseqüentemente, maior será a energia dos RX produzidos na ampola. Quando a energia de um feixe de RX aumenta, a penetrabilidade do RX também aumenta. Essa penetrabilidade é classificada como qualidade do feixe de RX. Um feixe de RX de grande penetração ou qualidade é constituído de RX duros e os de baixa penetração são chamados de RX moles. Quanto maior for a ddp, maior será a energia, qualidade, penetração e dureza dos RX e, conseqüentemente, menor será a absorção desse feixe. A qualidade dos RX depende do kV, da filtração e da forma de onda da voltagem.
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7.3.1- Cálculo da Quilovoltagem (kV) Para o cálculo do kV, iremos estudar duas técnicas, a saber: a) A Técnica de Maron b) A Técnica de Mikissu -Técnica de Maron
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Exercício de Compreensão Calcule o kV, para uma região com espessura de 18cm, utilizando todas a CF’s. - Técnica de Mikissu
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Exercício de Compreensão
7.3.2- Quantidade dos RX O número de fótons emitidos por uma ampola de RX é diretamente proporcional ao número de elétrons que são emitidos pelo filamento, os quais irão interagir com os átomos do material alvo. Quanto maior for o número de elétrons emitidos, maior será a quantidade de RX produzidos. Os elétrons em movimento (os quais adquiriram energia cinética fornecida pelo kV) dentro da ampola criam uma corrente elétrica da ordem de mA. Isto significa dizer também que, quanto maior for a mA, maior será a quantidade dos RX produzidos.
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7.3.2.1- Seleção da mA
7.3.2.1- Cálculo da mAs Existem duas maneiras para efetuarmos o cálculo da mAs.: a) Conhecendo a mA e o tempo de exposição b) Conhecendo a constante do aparelho e a constante miliamperimétrica de Maron (CMM ou simplesmente CM)
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Exercícios de Compreensão
7.4- Lei do Inverso do Quadrado da Distância A distância interfere na intensidade da radiação e influencia fatores como o tempo de exposição; a mA; a mAs e o fluxo de RX. O enunciado dessa lei é o seguinte: "A intensidade da radiação decresce proporcionalmente ao inverso do quadrado da distância" Na prática essa lei no diz que, quanto maior for a distancia entre o paciente e a fonte de radiação, menor será a intensidade da radiação que chegara a ate o paciente. Matematicamente temos:
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Exemplos e Exercícios
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CAPÍTULO 8- FATORES DE AJUSTES NA EMISSÃO DE RX COMPETÊNCIAS E HABILIDADES A SEREM TRABALHADAS COMPETÊNCIAS ESSENCIAIS HABILIDADES ESSENCIAIS Conhecer as relações entre tempo, distância e Identificar conceitos básicos que envolvem mAs radiação através de ondas eletromagnéticas. Identificar os tipos de aparelhos e seus Conhecer o fluxo de RX componentes básicos Conhecer fatores que afetam a emissão dos Destacar a evolução histórica na produção de RX Raios X Conhecer meios de contraste 8.1- Relação entre o tempo e a distância Quando a distância entre a fonte de radiação e o paciente é modificada, a quantidade total de RX deve ser aumentada ou diminuída de forma a se fazer uma nova exposição comparável, usando a nova distância (ND). Isso pode ser feito através da mudança da miliamperagem, que controla a quantidade do RX produzido pelo tubo, ou através do ajuste do tempo de exposição. Se o tempo de exposição original (TO) requerido para uma dada exposição e a distância original (DO) for conhecido, pode-se calcular o novo tempo de exposição (NT) para qualquer nova distância (ND). A lei do inverso do quadrado da distância determina que a intensidade do feixe de RX varia inversamente em relação ao quadrado da distância.
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Exercícios de compreensão
8.2 Relação entre a mAs e a distância O resultado da miliamperagem e o tempo são freqüentemente considerados como um único fator. Os cálculos mais úteis envolvendo distância são aqueles que combinam esses dois fatores em um único fator, a saber: miliamperes - segundo(mAs). O valor original da mAs é representado por mAsO; o novo valor da mAs é representado por NmAs. A relação matemática entre a mAs e a distância é dada por:
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Exercícios de compreensão
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8.3- Relação entre mA e a distância A miliamperagem também será modificada, caso a distância seja alterada. A relação matemática entre a miliamperagem e a distância é dada por:
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8.4- Fluxo de RX Fluxos de RX podem ser determinados somente por leituras diretas. Existem dados suficientes fornecidos pelos fabricantes sobre o fluxo de RX que permitem planejar a proteção radiológica de uma sala de RX, antes da instalação do aparelho. Dados típicos são fornecidos na tabela, onde K representa o fluxo. O fluxo de RX permite calcular a dose absorvida de radiação no paciente (DEP).
Esses valores são normalizados em Roentgen (R) por mA por minuto a 1 m de distância. Para os kV 's listados entre 50 e 150, a filtração total é de 2,5 mm de alumínio, enquanto que o valor do fluxo de 250 kV foi obtido com um filtro adicional de 0,5 mm de cobre. Exemplos: 1) Mantendo-se constante o kV em 70, distância de I m e tempo de 1 minuto, qual será o fluxo para 10 mA?
2) Alterando o tempo para I s, calcule o novo valor do fluxo do exercício anterior.
3) Alterando a distância para 2 m, calcule o novo valor do fluxo do exercício anterior.
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Obs.: uma vez que a distância foi aumentada, o valor do fluxo diminuiu. Isto era esperado, pois a lei do inverso garante que, sempre que aumentarmos a distância da fonte de radiação, a intensidade dessa radiação diminui.
8.5- Fatores que afetam a emissão dos RX Painel de controle O painel de controle permite ao técnico de RX controlar a corrente, a voltagem no tubo, o tempo de exposição e a miliamperagem, de maneira a obter a intensidade e a penetrabilidade necessárias a uma radiografia de boa qualidade. Monitores em forma de mostradores para kV, mA, mAs e tempo fazem parte do painel de controle. Ajuste do kV O painel de controle pode, através de uma seleção apropriada dos indicadores, fornecer precisamente o kV necessário. O ajuste da alta tensão relaciona-se a duas séries de conexões distintas no autotransformador. Se a tensão de entrada na bobina primária for de 220 V, a tensão de saída na bobina secundária pode ser controlada na faixa de dezenas a centenas de quilovolts. Controle da mA O número de elétrons que atravessam a ampola de RX, do cátodo para o ânodo, é medida por uma corrente elétrica da ordem de mA (miliAmpéres). A quantidade de elétrons emitidos é função da temperatura do filamento que, por sua vez, é controlada pela corrente elétrica que passa pelo mesmo. Quando a corrente elétrica no filamento aumenta, este torna-se mais aquecido e mais elétrons são liberados por emissão termoiônica. Quanto mais elétrons são liberados, maior será a mA no interior da ampola e maior será a quantidade de RX produzidos. A corrente elétrica na ampola de RX é controlada por um circuito elétrico chamado circuito do filamento. A tensão para esse circuito é fornecida por conexões no auto transformador, sendo enviada através de resistores de precisão para o valor correspondente ao ponto de mA desejado. 8.5.1- Fatores que afetam a absorção dos RX Absorção dos RX Como sabemos da definição dos RX é que os mesmos são uma radiação eletromagnética e, como tal, perdem energia de forma diferenciada, ou seja, perdem energia ao passarem de um meio menos denso para outro mais denso. Essa propriedade é a responsável pela formação da imagem radiográfica e a essa propriedade damos o nome de absorção. Os fatores que afetam a absorção dos RX são os seguintes: a) Espessura do material absorvedor b) Densidade do absorvente c) Número atômico do absorvedor d) Meios de contraste (contrastado) e) Quilovoltagem f) Forma de onda g) Filtração h) Tecidos humanos
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CAPÍTULO 9- INTERAÇÃO DA RADIAÇÃO COM A MATÉRIA COMPETÊNCIAS E HABILIDADES A SEREM TRABALHADAS COMPETÊNCIAS ESSENCIAIS HABILIDADES ESSENCIAIS Conhecer o processo de formação da imagem Definir a formação, processamento e registro do RX da imagem do RX. Distinguir os efeitos Compton e Fotoelétrico Conhecer os processos de interação da na formação da imagem radiação e controle da radiação secundária Identificar métodos de controle de radiação Conhecer os efeitos da interação da radiação secundária Conhecer fatores de exposição que afetam a Destacar fatores que afetam a imagem aérea formação da imagem aérea Conhecer os componentes básicos do aparelho de Raios X 9.1- Formação, Processamento e Registro da Imagem Radiográfica A imagem radiográfica é uma janela para o corpo. O uso dos raios X proporciona a obtenção de imagens internas do corpo humano, de modo não invasivo. O processo radiográfico envolve várias etapas: a formação da imagem que inicia-se com a absorção da energia proveniente dos raios X ou da luz pelos cristais de haleto de prata da emulsão do filme. Quanto mais exposição receberem, mais sensíveis serão ao processo de revelação. A imagem formada nesta etapa é chamada de imagem latente pois não pode ser detectada com métodos físicos usuais. Esta imagem é convertida em imagem visível pela ação dos químicos que atuam no processo de revelação dos filmes. Após o processamento, o filme é lavado e secado estando pronto para o manuseio. Atualmente um dos métodos mais usados para a obtenção de imagens em radiografia convencional é fazendo uso da combinação tela-filme. O filme radiográfico é um conversor de imagem. Converte luz em diversos tons de cinza. A quantidade de exposição necessária para produzir uma imagem depende da sensibilidade ou velocidade do filme. A velocidade é escolhida tendo-se em mente dois fatores importantes: exposição do paciente e qualidade da imagem. O filme de alta velocidade reduz a dose no paciente mas, por outro lado, degrada a qualidade da imagem. As telas intensificadoras são utilizadas para produzir luz que irá impressionar o filme radiográfico. Recentemente, com o advento das telas modernas de terras raras (lantânio, gadolínio, etc...) está havendo uma substituição das antigas pelas modernas, cujo uso já é exigido por leis na maioria dos países (no Brasil a partir de 1/6/98), sua velocidade é, pelo menos, 8 vezes maior que as antigas. O material fluorescente das telas, tem a propriedade de emitir luz quando irradiado por um feixe de raios X. É esta luz que vai impressionar o filme radiográfico. Apenas cerca de 5 % da imagem será formada pela ação direta dos raios X, 95 % será formada pela ação da luz proveniente destas telas intensificadoras. 9.2- Processos de interação da radiação com a matéria Nos processos de interação da radiação com a matéria podem ocorrer alguns tipos de interação, a saber: a) interação com os elétrons atômicos b) interação com os núcleos atômicos c) interação com o campo elétrico dos elétrons ou dos núcleos d) NÃO haver interação Em função desses efeitos, podemos ter: a) absorção total b) espalhamento elástico (coerente) c) espalhamento inelástico (incoerente) 64
d) transmissão sem nada ocorrer Nos itens a e c ocorre absorção Nos itens b e c existe espalhamento Nos itens a, b e c existe contribuição para a atenuação Dos processos de interação da radiação com a matéria iremos falar apenas dos que têm importância maior em radiologia diagnóstica (RX convencional), São eles o efeito Compton e o efeito fotoelétrico. Deve-se esclarecer que esses efeitos ocorrem no corpo do paciente e que os RX originados pelo efeito Compton não fornecem nenhuma informação útil, pois tendem a manchar a radiografia. Os RX que sofrem interação fotoelétrica fornecem informação diagnóstica no sentido negativo, pois os mesmos não alcançam o filme, revelando estruturas anatômicas com alta absorção, tais como aquelas correspondentes aos ossos. Os outros RX que penetram no corpo do paciente e são transmitidos sem sofrerem interação, criando áreas escuras na radiografia, representam estruturas anatômicas de baixa absorção. Existem várias formas de interação entre a radiação e a matéria, tais como produção de pares, efeito fotoelétrico, fotodesintegração, espalhamento coerente e efeito Compton, dentre os quais apenas o último e o efeito fotoelétrico são importantes para o estudo da radiologia. 9.3- Efeito Compton É o principal responsável por quase toda radiação espalhada encontrada em radiodiagnóstico, provoca o “borramento” do filme. Ocorre da seguinte maneira, o fóton incidente é desviado de sua trajetória, perdendo uma parte de sua energia, que é cedida a um elétron livre do átomo do meio. “É também conhecido como espalhamento Compton, sendo a interaçáo mais comum que ocorre entre os raios X e os tecidos do corpo, responsável por quase toda a radiaçáo secundária ou espalhada.” No efeito Compton ocorre um choque elástico, pois somente parte da energia do fóton incidente é transferida para um elétron, A probabilidade da ocorrência do efeito Compton depende da densidade eletrônica do meio (n° e/g). O nº e/ g de material é dado por:
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9.4- Efeito fotoelétrico: o fóton incide com um elétron de camada interna do átomo do meio, cedendo toda sua energia. Esse efeito tem maior probabilidade de ocorrer com fótons de energia relativamente baixa e elementos com número atômico alto, gerando radiaçáo secundária insignificante, produzindo assim um alto contraste na imagem radiográfica (excelente qualidade), mas, por outro lado, expondo o paciente a doses muito maiores de radiação. O efeito fotoelétrico é uma interação do fóton de RX incidente com um elétron mais ligado ao átomo, normalmente das camadas K ou L, desaparecendo totalmente. Como resultado, temos a retirada de um elétron da camada K, ionizando o átomo.
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9.5- Fatores de exposição que afetam a Imagem Aérea Alguns dos fatores que afetam a imagem aérea (imagem que emerge do paciente) são: a) miliamperagem b) distância c) quilovoltagem d) fomla de onda e) efeito talão Miliamperagem A miliamperagem é responsável pela quantidade de RX, quanto maior for a miliamperagem, maior será a quantidade de RX, Aumentando-se a quantidade de RX produzidos, também aumentará a intensidade da radiação que emergirá do corpo do paciente Distância A distância também é um fator que influencia na imagem aérea, como foi visto quando foi estudada a lei do inverso do quadrado da distância. Com o aumento da distância temos uma diminuição da intensidade da radiação. Quilovoltagem A quilovoltagem é a responsável pela qualidade da radiação, ou seja, pelo seu poder de penetração ou pela dureza do RX. Quanto maior for a quilovoltagem, maior será o poder de penetração da radiação e maior será o contraste na radiografia do paciente. Forma de onda O efeito na mudança na forma de onda (sistema trifásico ao invés do monofásico) é o mesmo que um aumento na quilovoltagem. Desta forma, o efeito nas mudanças de forma de onda no contraste do paciente e na intensidade, energia e' poder de penetração dos RX, é similar às mudanças da quilovoltagem, Efeito talão (anódico, catódico) A variação em intensidade através do feixe de RX associada com o ângulo de emissão do RX do ponto de foco é chamada de efeito talão. Em outras palavras, a intensidade do feixe de RX é maior do lado do cátodo e menor do lado do ânodo. O efeito talão pode ser utilizado quando se quer obter densidades equilibradas em radiografia das partes do corpo que diferem em absorção. Para uma radiografia do tórax, por exemplo, o lado do ânodo deverá ser colocado na área cervical e o lado do cátodo do lado da área torácica.
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9.6- Controle da Radiação Secundária Radiação secundária ou espalhada é aquela que atravessa um corpo e produz, ao chocar-se com este corpo, novas radiações, quase sempre dirigidas do foco para o filme e em direção oblíqua. São três os principais fatores que afetam a quantidade de radiação secundária durante o disparo dos raios X: a tensão, a espessura do objeto e o tamanho do campo de radiação. Tensão: quando a energia da radiação é aumentada, o número de fótons que sofre interação Compton aumenta. A tensão praticamente não influencia o número de fótons espalhados, principalmente quando ela é baixa (efeito fotoelétrico). Espessura do objeto: esse fator é dificilmente controlável , pois quanto maior for a espessura, maior será a quantidade de fótons emitida. Pode-se, entretanto, atenuar esse problema, utilizando uma compressão (faixa compressora) na região do corpo a ser radiografada. Tamanho do campo de radiação: fator de fácil controle e de fundamental importância na produção da radiação secundária. A diminuição do tamanho do campo resulta na diminuição do nível dessa radiação. Há ainda outras formas de se controlar a radiação secundária, atenuando a dose administrada ao paciente. Para tanto, basta lançar mão dos dispositivos restritores. Existem, basicamente, três tipos de dispositivos restritores: filtros, colimadores e grades. 9.6.1- Filtros Trata-se, em geral, de placas de metal (alumínio) cuja principal função é absorver fótons de menor energia e reduzir a dose administrada aos pacientes. Geralmente, os filtros são encontrados em três níveis diferentes: no tubo e na calota (filtração inerente' ), no colimador (filtração adicional') e no paciente. Normalmente, em RX diagnóstico, são utilizado filtros de alumínio de, no máximo, 2 mm de espessura, ou uma combinação de alumínio e cobre. A figura a seguir ilustra esse processo de filtração.
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9.6.2- Colimadores Os colimadores são dispositivos colocados na saída da calota, a fim de regular o tamanho e a forma do feixe dos raios X. São classificados em três categorias: diafragma: tipo mais simples de colimador, fabricado com uma placa de chumbo que possui um orifício central; cones e cilindros: feitos de uma longa estrutura de metal revestida de chumbo e têm a função de limitar o feixe ao tamanho desejado; colimadores variáveis: são os melhores dispositivos restritores, devido ao fato de proporcionarem uma infinidade de tamanhos de campos retangulares e permitirem a colocação de um feixe de luz com a mesma configuração do feixe dos raios X.
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9.6.3- Grades As grades são utilizadas visando o controle da radiação secundária no processo da formação da imagem radiográfica. São compostas de uma série de lâminas finíssimas de chumbo, opacas aos raios X e separadas uma a uma por um material transparenre a esses raios. Existem dois tipos de grades: - Grade estacionária: fornece uma imagem composta de sombras distribuídas entre as barras da grade, com densidade de fótons em torno de 15% maior que a da imagem obtida com uma grade móvel. Nesse caso, diz-se que a radiografia, após o seu processamento, torna-se " gradeada" . - Grade móvel (oscilante): inventada em 1920 pelo Dr. Hollis E. Potrer, foi por muito tempo chamada de Potter Bucky. Seu funcionamento se dá da seguinte maneira: quando ocorre o disparo dos raios X, a grade se move, borrando as sombras causadas pelas tiras de chumbo no filme, atenuando assim a radiação secundária que chega ao filme. A grade oscilante faz diminuir as radiações secundárias que chega riam no filme e que causariam falta de nitidez na visualização da radiografia.
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9.7- Écrans A utilização direta de filmes na formação da imagem das estruturas anatômicas é uma técnica inadequada, por conta da baixa porcentagem de raios X (1 %) do feixe primário que interagem com o filme, formando a imagem latente, ou imagem aérea. Para corrigir esse efeito indesejável, utilizam-se os écrans (telas intensificadoras), que são estruturas feiras com fósforo luminescente, utilizadas para reduzir a dose de radiação administrada ao paciente. Os écrans são sistemas que convertem a energia dos raios X em luz visível, aumentando assim o processo de formação da imagem latente no filme. Eles são constituídos de quatro camadas: - Base: suporte de plástico para as outras camadas da tela intensificadora; deve ser resistente, não descorar com a radiação, ser quimicamente inerte e não conter impurezas. - Camada Protetora: normalmente é feita com substâncias como o dióxido de titânio; a luz produzida pela interação dos raios X com os cristais do fósforo é emitida em todas as direções. A camada refletora atua nos fótons que se propagam na direção oposta ao filme. - Camada de fósforo: camada constituída de substâncias (de número atômico alto) como o tungstato de cálcio, que é o responsável pela emissão da luz durante o período do disparo dos raios X. - Camada protetora: camada aplicada à camada de fósforo, que auxilia na prevenção de e1erricidade estática, proporciona proteção à camada de fósforo e permite que a superfície possa ser limpa sem que haja danos. Os écrans são chamados de materiais fluorescentes, embora muitos acreditem que haja um processo de fosforescência associado. Eis a definição de fluorescência e fosforescência: - fluorescência: quando a luz é emitida somente durante o processo de estímulo; - fosforescência: quando a luz continua a ser emitida após o processo de estímulo.
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CAPÍTULO 10- FILME RADIOGRÁFICO COMPETÊNCIAS E HABILIDADES A SEREM TRABALHADAS COMPETÊNCIAS ESSENCIAIS HABILIDADES ESSENCIAIS Conhecer a composição de um filme de RX Definir a formação, processamento e registro da imagem do RX. Conhecer a composição de um écran Distinguir os efeitos Compton e Fotoelétrico Conhecer fatores de influencia na nitidez da na formação da imagem imagem Identificar métodos de controle de radiação Conhecer fatores que afetam qualidade da secundária imagem Destacar fatores que afetam a imagem aérea Conhecer os tipos de filmes e suas latitudes Após a interação entre os feixes de raios X e os tecidos do corpo do paciente, são transportadas as informações sobre a intensidade da radiação e a área ocupada por tais informações no filme radiográfico. Tais informações ainda não são visíveis (imagem latente), pois precisam ser decodificadas por meio de um processo químico, a revelação. 10.1- Constituição do Filme O filme radiográfico é constituído de uma emulsão fotograficamente ativa espalhada uniformemente sobre os dois lados de uma folha transparente chamada base, a qual é protegida dos efeitos mecânicos por uma camada protetora. Emulsão A emulsão é o material no qual os fótons de luz das telas intensificadoras interagem, produzindo as informações para a caracterização da imagem. A emulsão é a parte mais importante do filme, pois é por meio dela que a imagem latente é formada. Ela é composta, principalmente, pela gelatina e pelo haleto de prata. A gelatina, que é feita de osso, possibilita a distribuição homogênea dos haletos de prata, impedindo seu acúmulo na base do filme e permitindo a penetração dos produtos químicos nos cristais de prata para a formação da imagem. O haleto de prata é o material fotossensível da emulsão, composto, em sua maior pane, de brometo de prata e, na menor, de iodeto de prata. Base Trata-se do e1emenro fundamental do filme cuja função é fornecer uma estrutura rígida sobre a qual a emulsão possa ser envolvida. A base é flexível e inquebrável, permitindo fácil manuseio, porém é suficientemente rígida para ser acondicionada dentro de uma caixa. Portanto, as características da base são: transparência, flexibilidade e estabilidade dimensional. Camada Protetora A função da camada protetora é proteger a base e a emulsão, tornando possível o manuseio do filme.
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CAPÍTULO 11A FÍSICA NA TOMOGRAFIA, RESSONANCIA E ULTRASSNOGRAFIA COMPETÊNCIAS E HABILIDADES A SEREM TRABALHADAS COMPETÊNCIAS ESSENCIAIS HABILIDADES ESSENCIAIS Conhecer princípios físicos na Tomografia Definir a formação, processamento e registro da imagem do RX. Conhecer princípios físicos na Ressonância Conhecer princípios físicos na ultrassonografia Distinguir os efeitos Compton e Fotoelétrico
11.1- Ultra-som - Conceito Ultra-som é um som a uma freqüência superior àquela que o ouvido do ser humano pode perceber, aproximadamente 20.000 Alguns animais, como o cão, golfinho e o morcego, têm um limite de percepção sonora superior ao do ouvido humano e podem, assim, ouvir ultra-sons. Existem "apitos" especiais nestas frequencias que servem a estes principios. Um som é caracterizado por vibrações (variação de pressão) no ar. O ser humano normal médio consegue distinguir, ou ouvir, sons na faixa de freqüência que se estende de 20 Hz a 20.000 Hz aproximadamente. Acima deste intervalo, os sinais são conhecidos como ultra-sons e abaixo dele, infra-sons. O fato de não ser audível pelos seres humanos a torna especial para ser utilizada como instrumento de medida, pois o som não nos perturba. Assim, por exemplo, se emitirmos uma freqüência de 40.000 Hz (40 kHz), as ondas vibratórias do ar propagar-se-ão a uma velocidade de 343,4 m/s (20 graus centígrados). Estas ondas sonoras, ao encontrarem um anteparo, batem e são refletidas, retornando ao seu ponto de origem. Este sinal de retorno é chamado eco. A velocidade do som no ar é bem conhecida, e varia fundamentalmente com a temperatura, portanto se medirmos o tempo que o sinal de retorno (eco) gastou desde a emissão até a recepção, poderemos determinar com boa precisão a distância que ele percorreu. Este processo é utilizado em medições industriais aplicadas, como por exemplo, para determinar o nível de tanques sem que haja contato físico com o líquido. Para se ter uma idéia de grandeza da velocidade do som no ar, podemos afirmar que ela percorre 1 metro em apenas 3 milissegundos, equivalendo aproximadamente a 1.236 Km/hora. O ar pode ser considerado um gás quase que perfeito, portanto a velocidade do som no ar tem dependência exclusiva com a temperatura. V = (331,5 +0,6t) m/s, estando t em graus Celcius. O emissor de som, em aparelhos de som, é o alto-falante. Um cone de papelão movido por uma bobina imersa em um campo magnético produzido por um imã permanente. Este cone pode "vibrar" a freqüências de áudio e com isto impulsionar o ar promovendo ondas de pressão que ao atingirem o ouvido humano, são interpretados como sons audíveis. A medida que a freqüência das vibrações aumenta, a amplitude das vibrações vai se reduzindo. A Ultra-sonografia no Diagnóstico Médico
A ultra-sonografia, ou ecografia, é um método diagnóstico que aproveita o eco produzido pelo som para ver em tempo real as sombras produzidas pelas estruturas e órgãos do organismo. Os aparelhos de ultra-som em geral utilizam uma freqüência próxima de 1 MHz, emitindo através de uma fonte de cristal piezoelétrico que fica em contato com a pele e recebendo os ecos gerados, que são interpretados através da computação gráfica. Conforme a densidade e composição das estruturas a atenuação e mudança de fase dos sinais emitidos varia, sendo possível a tradução em uma escala de cinza, que formará a imagem dos órgãos internos. 85
A ultra-sonografia permite também, através do efeito doppler, se conhecer o sentido e a velocidade de fluxos sanguíneos. Por não utilizar radiação ionizante, como na radiografia e na tomografia computadorizada, é um método inócuo, barato e ideal para avaliar gestantes e mulheres em idade procriativa. A ultra-sonografia é um dos métodos de diagnóstico por imagem mais versáteis e ubíquos, de aplicação relativamente simples e com baixo custo operacional. A partir dos últimos vinte anos do século XX, o desenvolvimento tecnológico transformou esse método em um instrumento poderoso de investigação médica dirigida, exigindo treinamento constante e uma conduta participativa do usuário. Esta modalidade de diagnóstico por imagem apresenta características próprias: - Apresenta a anatomia em imagens seccionais, que podem se adquiridas em qualquer orientação espacial. - É um método não invasivos ou minimamente invasivos. - Não utiliza radiação ionizante. - Não possui efeitos nocivos significativos dentro das especificações de uso diagnostico na medicina. - Possibilita o estudo não invasivo da hemodinâmica corporal através do efeito Doppler. - Permite a aquisição de imagens dinâmicas, praticamente em tempo real, possibilitando estudos do movimento das estruturas corporais. O método ultra-sonográfico baseia-se no fenômeno de interação de som e tecidos, ou seja, a partir da transmissão de onda sonora pelo meio, observamos as propriedades mecânicas dos tecidos. Assim, torna-se necessário o conhecimento dos fundamentos físicos e tecnológicos envolvidos na formação das imagens do modo pelo qual os sinais obtidos por essa técnica são detectados, caracterizados e analisados corretamente, propiciando uma interpretação diagnóstica correta. Além disso, o desenvolvimento contínuo de novas técnicas, a saber: o mapeamento Doppler, os meios de contraste, os sistemas de processamento de imagens em 3D, as imagens de harmônicas e a elastometria exigem um conhecimento ainda mais amplo dos fenômenos físicos. A ultra-sonografia pode contribuir como auxílio no diagnóstico médico e veterinário, sendo sua aplicação mais ampla atualmente em seres humanos. Pode acompanhar durante a gravidez o bebê desde seus primórdios ao nascimento, avaliando aspectos morfo-funcionais. Permite ainda a orientação de processos invasivos mesmo antes do nascimento. 11.2- Tomografia Computadorizada
Em Radiologia, uma Tomografia Computadorizada (TC) ou Tomografia Axial Computadorizada (TAC), é uma imagem que deriva do tratamento informático dos dados obtidos numa série de projeções angulares de raios X. Simplificadamente traduz uma secção transversal (uma "fatia") do corpo da pessoa a quem foi feita a TC. Basicamente, uma TC indica a quantidade de radiação absorvida por cada porção da secção analisada, e traduz essas variações numa escala de cinzentos, produzindo uma imagem. Como a capacidade de absorção de raios X de um tecido está intimamente relacionada com a sua densidade, zonas com diferentes densidades terão diferentes cores, permitindo distingui-las. Assim, cada pixel da imagem corresponde à média da absorção dos tecidos nessa zona, expresso em Unidades de Hounsfield (nome do idealizador da primeira máquina de TC). É um exame radiológico exibido como imagens tomográficas finas de tecidos e conteúdo corporal, representando reconstruções matemáticas assistidas por computador.
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Por exemplo, numa TC realizada ao tórax, será possível distinguir facilmente os pulmões do coração, já que o primeiro é, sobretudo aéreo, enquanto o segundo é maciço. Da mesma forma, se nos pulmões existir uma massa de maior densidade (como um cancro, por exemplo), ou de menor densidade (como uma caverna causada por tuberculose), estas serão também distinguíveis, pois possuem níveis de atenuação dos raios X diferentes do tecido circundante. A TC, tal como a radiografia convencional, baseia-se no fato de os raios X serem apenas parcialmente absorvidos pelo corpo humano. Enquanto a gordura ou o ar, por exemplo, são facilmente atravessados, os ossos e o metal não o são. Para obter uma TC, o paciente é colocado numa mesa, que se desloca para o interior de um orifício de cerca de 70cm de diâmetro. À volta deste encontra-se uma ampola de Raios-X, num suporte circular designado “gantry”. A 180º (ou seja, do lado oposto) da ampola, encontrase o detector de Raios-X, responsável por captar a radiação, e transmitir essa informação ao computador ao qual está conectado. Nas máquinas de 3ª geração, durante o exame a “gantry” descreve uma volta completa (360º) em torno do paciente, com a ampola a libertar raios X que após atravessar o corpo do paciente são captados na outra extremidade pelo detector. Esses dados são então processados pelo computador, que analisa as variações de absorção ao longo da secção observada, e reconstrói esses dados sob a forma de uma imagem. A “mesa” avança então mais um pouco, repetindo-se o processo para obter uma nova imagem, num ponto seguinte pré definido pelo operador. Máquinas mais recentes, de 5ª geração, designadas “helicoidais” e mais recentemente “multislice”, descrevem uma hélice em torno do corpo do paciente, em vez de um círculo completo. Assim, supondo que são pretendidos cortes com 10mm de espessura, o “gantry” avançará 10-15mm durante a volta completa. Isto permite a obtenção de cortes intermédios (por exemplo, a cada 5mm) simplesmente por reconstrução digital, uma vez que toda essa área foi captada no movimento helicoidal, dentro de certos limites. Isto permite que o paciente seja submetido a doses menores de radiação e (sobretudo) maior rapidez. Assim os exames passaram de 1 hora por exame para segundos ou poucos minutos, dependendo do equipamento e da parte examinada. A principal vantagem da TC é que permite o estudo de secções transversais do corpo humano, ou seja, permite ampliar o que existia em Radiologia Convencional (imagens em duas dimensões com estruturas sobrepostas para imagens em 3 dimensões, ou com percepção espacial nítida). Outra vantagem: a maior distinção entre dois tecidos. Em TC podem-se distinguir até 0,5% de diferenças de densidade de tecidos, ao contrário da Radiologia Convencional que se situava nos 5%. Isto é uma melhoria sem paralelo em relação às capacidades da radiografia convencional, pois permite a detecção ou o estudo. de anomalias que não seria possível senão através de métodos invasivos. Como exame complementar de diagnóstico, a TC é de valor inestimável. 11.3- Ressonância Nuclear Magnética - RNM Os princípios da RNM são bastante complexos e envolvem conhecimentos em diversas áreas das ciências exatas. A grande vantagem da RNM reside na sua segurança, já que não usa radiação ionizante, nas diversas capacidades em promover cortes tomográficos em muitos e diferentes planos, dando uma visão panorâmica da área do corpo de interesse e, finalmente, na capacidade de mostrar características dos diferentes tecidos do corpo. O Contraste da imagem em RNM é baseado nas diferenças de sinal entre distintas áreas ou estruturas que comporão a imagem. A RNM tem um contraste superior a Tomografia
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Computadorizada (TC) na resolução de tecidos ou partes moles. Na TC, a atenuação de Raios-X pelo paciente é a maior fonte de contraste. Desta forma, a quantidade de atenuação reflete a densidade do elétron do paciente. Por outro lado, o contraste em RNM é o resultado da interação de diferentes fatores, incluindo a densidade dos prótons, T1, T2, a suceptibilidade magnética e o fluxo dos líquidos corporais. Se apenas a densidade dos prótons fosse a fonte de contraste em RNM, talvez, então, ela não fosse melhor que a TC em termos de resolução e contraste. A RNM tem vantagens em outras áreas, mas com respeito às partes moles, a relação entre a densidade de prótons e a densidade de elétrons varia da ordem de apenas 10%, o que não seria vantajoso. Felizmente, existem outras e melhores fontes de contraste em RNM. T1 e T2 oferecem contraste em RNM definitivamente superior à TC. Isso ocorre porque muitas substâncias com similar densidade de prótons e elétrons resultarão em diferentes sinais na RNM devido a diferentes tempos de relaxamento em T1 e T2. Uma outra forma de contraste em RNM baseia-se na susceptibilidade magnética de várias substâncias, ou seja, a maneira como elas respondem a um campo magnético. Essa susceptibilidade é o resultado de propriedades químicas e físicas de cada substância, e é largamente explorada na produção de materiais de contraste usados nos exames de RNM. Como exemplo temos substâncias ditas diamagnéticas (efeito oposto sobre o campo magnético), paramagnéticas (efeito positivo, potencializando os efeitos do campo e melhorando a eficiência de T1 e T2) e, finalmente, substâncias superparamagnéticas e ferromagnéticos (metais, por exemplo) que também possuem efeitos positivos no campo magnético aplicado. O programa de computador do equipamento realiza o armazenamento dos sinais emitidos pelos vários tecidos do corpo, sejam eles em T1, T2 ou qualquer outra seqüência e, através de uma operação algorítmica, os transforma em imagens digitais. Desvantagens Da Ressonância Magnética
O campo magnético de altíssima magnitude é potencialmente perigoso para aqueles pacientes que possuem implantes metálicos em seus organismos, sejam marcapassos, pinos ósseos de sustentação, clips vasculares e etc. Esses pacientes devem ser minuciosamente interrogados e advertidos dos riscos de aproximarem-se de um magneto e apenas alguns casos, com muita observação, podem ser permitidos. A RNM possui pouca definição na imagem de tecidos ósseos normais, se comparada à TC, pois esses emitem pouco sinal. Na verdade, essa é uma desvantagem relativa, já que a falta de sinal pode ser delineada em RNM como áreas negras, e assim sendo, seria possível observar todo o curso de partes ósseas. Além disso, alterações na densidade de prótons desses ossos, promovido por patologias como câncer seriam prontamente acusados pela RNM.
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CAPITULO 12- MEDIDAS DE INTENSIDADE DAS RADIAÇÕES IONIZANTES. A intensidade das radiações ionizantes é medida na base do número de ions que elas produzem num certo volume padrão. A unidade é denominada ROENTGEM, abreviada para R. No organismo humano, 1r corresponde a cerca de duas ionizações por mícron cúbico, isto é, em média, duas ionizações em volume correspondente a um cubo formado por arestas de um milésimo de milímetro. Isto significa que a irradiação de todo o corpo humano, por uma dose de apenas 1R desencadeia um total de cem quatriliões de ionizações. Esse número imenso de ionizações que acontecem em nosso organismo, se formos irradiados com essa dose extraordinariamente pequena, é representado pelo algarismo 1 seguido de 17 zeros. O ROENTGEN é a unidade específica para radiação X e para os raios gama, podendo, no entanto, ser estendida a outros tipos de radiação, por meio de adaptações apropriadas. Assim é que se pode falar também de doses em unidades R tanto para os raios beta como para uma emissão de prótons. Um roentgen de qualquer radiação ionizante representa a mesma quantidade de ionização no ar, mas pode desencadear quantidades diferentes, segundo o tipo de radiação, quando empregado sobre um tecido orgânico. Assim, em estudos precisos de radiobiologia, não se pode usar indiscriminadamente a expressão "roentgen, sendo necessária a conversão de valores para que se tenha precisão nos dados. Em linhas gerais, as várias unidades de medida das radiações podem ser assim definidas: ROENTGEN: 1 r, aplicado a tecidos moles, causa a absorção, por partes desses, de uma quantidade de energia igual a 93 ergs por grama. Um erg representa a energia desenvolvida por uma massa de 1 grama movendo-se com a velocidade de 1 centímetro por segundo. O miliroentgem (mr) é a milésima parte de roentgen. O (ur) é a milionésima parte do roentgen. RAD. Unidade empregada para raios alfa e beta, em tecidos moles, 1 r pode ser aceito como equivalente a 1 rad, sem grandes erros. Variando a estrutura do tecido, varia igualmente essa relação, que passa a ser de elevada complexidade. REM - Sigla de ROENTGEM EQUIVALENTE MEN, é uma unidade que pode ser usada para qualquer tipo de radiação, medindo-lhe a eficiência biológica em relação ao homem. Sabendo-se que varia enormemente a capacidade através de uma medida que leva em consideração as diferenças existentes. Uma dose em rems é obtida pelo produto da dose em rads pela referida eficiência da radiação em causa. Grandezas e unidades • Atividade: Bq. Número de transformações nucleares por unidade de tempo • Exposição: R (C/kg). Quantidade de carga coletada numa massa específica de ar seco • Dose Absorvida: D (Gy = J/Kg). Relação entre a energia absorvida e o volume atingido (1 Gy = 100 rad) • Dose Equivalente: H = D.Q (Sv = J/Kg)
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• Dose Efetiva : E = DT WT HT (Sv). Leva em conta o tecido ou órgão irradiado. WT é o fator de peso do tecido ou órgão. DT WT = 1 Para radiografias de tecidos moles 1R = 1 rad = 1 rem Equivalências (unidades antigas): -11
1 Bq = 2,7 x 10 Ci 100 rad = 1 Gy 1 R = 0,87 rad = 0,0087 1 Sv = 100 rem 12.1 - DOSE E TAXA DE DOSE Dose é a quantidade total de radiação emitida; taxa de dose é a maneira como essa dose é distribuída ao longo do tempo. Assim, uma mesma dose (digamos 100 r), podendo ser aplicada durante diferentes períodos de tempo (1 minuto, 10 minutos, 100 minutos, etc.) se apresentará com diferentes taxas (de 100r/min., de 10r/min., de 1r/min., etc.), apesar de que em todos os casos, a dose final de radiação emitida seja a mesma (100 r). Quanto maior a taxa e a dose, maior o risco. Em radiobiologia, tanto a dose como a taxa da dose tem importância capital. Doses elevadas podem ter efeitos diminutos se aplicados com taxas extraordinariamente diluídas, da mesma forma que reduzidas taxas de dose podem ter efeitos facilmente reconhecíveis se dadas ao longo de extensos períodos. 12.2 - Efeitos Somáticos Das Radiações: Liminar Ou Não? Os efeitos biológicos das radiações ionizantes são comumente classificados em "genéticos e Somáticos". Os primeiros se subdividem em duas grandes classes: "ao nível gênico e ao nível cromossômico." Sobre eles falaremos posteriormente. Essas classificações devem ser aceitas apenas como tentativas de ordenação de fenômenos muito complexos e interligados, uma vez que os efeitos ditos "Genéticos" podem ter repercussões do tipo denominado de "efeitos somáticos" e as mutações menores "ao nível cromossômico", desapercebidas ao nível microscópio, podem simular as que ocorrem" ao nível gênico." Os efeitos "somáticos" mais investigados são o câncer e a leucemia. E, assim, o problema básico é o de se saber se o desencadeamento desses efeitos dependem de um limiar de radiação, abaixo do qual as doses seriam ineficazes. A tese afirmativa, partindo do princípio de que doses "muito baixas" não teriam ação somáticas nociva, aceitava-se, que doses ao nível de 0,1r por dia seriam inócuas. Ora, essa dose tão pequena significa algo como 36r no fim de um ano e como 365r em uma década. Aceitando-se que um profissional trabalhe 30 anos sob tal nível de exposição, com dois dias de descanso por semana, ele teria recebido, ao término de suas atividades, um total de 800r. A tendência atual, gerada pelos resultados de experimentações com doses "baixas", é não aceitar a existência de um limiar de segurança absoluta. Postula, pelo contrário, que há uma
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relação contínua entre exposição e risco. Desde de 0,1R por dia, assim como doses ainda menores, devem ser aceitas, portanto, como potencialmente perigosas se repetem-se por longo tempo. 12.2.1 - Dose Gônoda Convém sempre ter em mente que o dado importante em radiogenética é a dose de radiação atuante sobre a superfície da pele. Aquela é, muitas vezes, apenas uma fração mínima desta, sem grande significado genético quando considerada isoladamente num indivíduo, mas capaz de se somar a um incontável número de outras doses mínimas atuantes, em ocasiões diferentes sobre as gônodas do mesmo ou de outros indivíduos, assim formando uma dose realmente enorme para a população sobre a qual incide o seu impacto. Se o problema do conhecimento da dose sobre a pele não encontra grandes dificuldades por parte do radiologista, uma vez que tabelas existentes na literatura podem fornecer uma resposta aproximada a um grande número de situações, o mesmo não acontece com a dose gônada cujo cálculo envolve uma séria de variáveis dificilmente quantificáveis. 12.2.2 - Dose Genética A importância genética de uma irradiação depende de inúmeros fatores, um dos quais, naturalmente, é a capacidade reprodutiva dos indivíduos que a recebem. Assim é que doses gônodas altas em pessoas idosas ou doses gônodas baixas em jovens terão efeito genético relativamente diminuto sobre a população. Para bem descrever o problema, criou-se o conceito de dose genética. Dose genética individual é a dose gônoda de um indivíduo, ponderada pela sua fertilidade futura. dose genética populacional é aquela que, se fosse dada a cada membro da população, teria o mesmo efeito da soma das doses individuais realmente recebidas. O comitê sobre os Perigos Radiológicos em pacientes, dirigidos por Lord Adrian, em 1957, no Reino Unido, realizou duas investigações para determinar a dose genética anual de sua população. Essa dose foi estimada em 19,3 mr (miliroentgens), com o erro de cerca de 1,6mr. Isto significa que a média, por indivíduo, por ano, das doses gônodas, levando-se em consideração a fertilidade futura dos indivíduos irradiados, é igual a cerca de 20mr. Uma análise minuciosa dos dados revelou que se os hospitais que contribuíram com as maiores doses (e que constituíam apenas 10% do total de hospitais) passassem a empregar um padrão técnico igual à média dos outros hospitais, a dose genética poderia ser reduzida a cerca de 14mr. Se o padrão técnico geral fosse o dos hospitais que contribuíram com as menores doses (25% do total), a dose genética baixaria a cerca de 2mr. A opinião do Comitê é de que a dose genética anual poderá ser reduzida a cerca de 6mr, sem grandes dificuldades. 1.2.3 - Dose Acumulada A expressão "dose de radiação ionizante acumulada" parece nos útil elucidar o seu sentido. Expressões desse tipo é que tem dado margem à idéia totalmente errônea de que a radiação se acumula num organismo que a ela se expõe ao longo de um certo período de tempo. Não há tal coisa. Um organismo que sofre a ação das radiações num determinado período de tempo não
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acumula radiação, apesar de que naturalmente, acumula doses. Isto apenas significa que as doses se somam ao longo do tempo. Assim, alguém que por motivos profissionais recebe 0,3r por semana, não carrega em seu corpo no fim de 10 semanas uma dose de radiação igual a 3r, mas, simplesmente recebeu 3r no fim daquele período. Essa é a "dose acumulada", que é correto, com o de "radiação acumulada", que é totalmente errôneo. O que se acumula na prática são os efeitos. 12.3- Dose Máxima Permissível Encerrando este trabalho, volto a repetir o que já foi dito: As organizações interessadas no problema da proteção contra as radiações, não estipulam limites que possam ser atingidos mas, pelo contrário, "Limites que nunca devem ser atingidos."
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